Bộ bánh răng truyền động

Số răng của bánh răng chủ động: 40. Số răng của bánh răng bị động: 60. Tỉ số truyền: i = 40

30 = 1,3.

Hình 3. 23 Bộ bánh răng truyền động

3.3.4. Cảm biến góc xoay bánh đà dạng quang (Cảm biến vị trí Encoder)

Khái niệm: Encoder là 1 loại cảm biến vị trí, đưa ra thông tin về góc quay dưới dạng số mà không cần ADC. Encoder quay quang còn được gọi là bộ mã hóa vòng quay.

Cấu tạo cơ bản của 1 Encoder quay quang:  Đĩa quay được xẻ rãnh gắn vào trục.

 Một nuồn sáng và một tế bào quang điện bố trí thẳng hàng.  Mạch khuếch đại.

Hình 3. 24 Mạch khuếch đại của Encoder quang quay

3.3.5. Cảm biến góc nghiêng của xe MPU 6050

Theo InvenSense MPU-6050 datasheet, chip MPU6050 chứa: + Con quay hồi chuyển 3 trục (3-axis MEMS gyroscope).

+ Cảm biến gia tốc 3 chiều (3-axis MEMS accelerometer).

Ngoài ra, MPU-6050 còn có 1 đơn vị tăng tốc phần cứng chuyên xử lý tín hiệu (Digital Motion Processor - DMP) do cảm biến thu thập và thực hiện các tính toán cần thiết.

DMP kết hợp các dữ liệu cảm biến ban đầu và thực hiện một số tính toán phức tạp để giảm thiểu sai sót trong từng bộ cảm biến. Gia tốc kế và con quay hồi chuyển có những hạn chế cố hữu khác nhau, khi sử dụng riêng lẻ. Bằng cách kết hợp dữ liệu từ hai loại cảm biến và sử dụng một số thuật toán (một quá trình được gọi là tổng hợp cảm biến), dường như có thể đo được tín hiệu cảm biến chính xác hơn nhiều và mạnh mẽ hơn. DMP trên MPU6050 hiện chính xác đó và trả về kết quả. Những dữ liệu này sau đó có thể được chuyển đổi sang góc nghiêng theo 3 trục x, y, z hay gia tốc góc cho con người chúng ta đọc và hiểu được.

Điều này giúp giảm bớt đáng kể phần xử lý tính toán của vi điều khiển, cải thiện tốc độ xử lý và cho ra phản hồi nhanh hơn. Đây chính là 1 điểm khác biệt đáng kể của MPU-6050 so với các cảm biến gia tốc và gyro khác ngoài ra DMF còn có một chức năng đó là tự hiệu chuẩn.

MPU-6050 có thể kết hợp với cảm biến từ trường (bên ngoài) để tạo thành bộ cảm biến 9 góc đầy đủ thông qua giao tiếp I2C.

MPU-6050 giao tiếp với một vi điều khiển thông qua một giao diện I2C. Nó thậm chí đã được xây dựng trong một bộ điều khiển I2C bổ sung, cho phép nó hoạt động như một I2C thứ hai.

Các cảm biến bên trong MPU-6050 sử dụng bộ chuyển đổi tương tự - số (Anolog to Digital Converter - ADC) 16-bit cho ra kết quả chi tiết về góc quay, tọa độ... Với 16- bit bạn sẽ có 216 = 65536 giá trị cho 1 cảm biến…

Tùy thuộc vào yêu cầu của bạn, cảm biến MPU-6050 có thể hoạt động ở chế độ tốc độ xử lý cao hoặc chế độ đo góc quay chính xác (chậm hơn). MPU-6050 có khả năng đo ở phạm vi:

+ Con quay hồi chuyển: ± 250 500 1000 2000 dps. + Gia tốc: ± 2 ± 4 ± 8 ± 16g.

Hơn nữa, MPU-6050 có sẵn bộ đệm dữ liệu 1024 byte cho phép vi điều khiển phát lệnh cho cảm biến, và nhận về dữ liệu sau khi MPU-6050 tính toán xong.

Ưu điểm lớn nhất của DMP là nó giúp loại bỏ sự cần thiết phải thực hiện phức tạp và tài nguyên tính toán chuyên sâu về phía Arduino. Nhược điểm lớn nhất của cảm biến này là dễ bị nhiễu.

Dưới đây là sơ đồ của GY-521 chip MPU6050.

3.3.6. Bộ điều khiển trung tâm

Dưới đây là bộ điều khiển trung tâm dùng để điều khiển mô tơ quay bánh đà.

Hình 3. 27 Bộ điều khiển trung tâm kết hợp cảm biến góc nghiêng của xe

Bộ xử lý trung tâm (Arduino Uno R3):

Nhắc tới dòng mạch Arduino dùng để lập trình, cái đầu tiên mà người ta thường nói tới chính là dòng Arduino UNO. Hiện dòng mạch này đã phát triển tới thế hệ thứ 3 (R3)

Bảng 3.5 Thông số của Arduino Uno R3

Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit

Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)

Tần số hoạt động 16 MHz

Dòng tiêu thụ Khoảng 30 mA

Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC Điện áp vào giới hạn 6-20V DC

Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWD) Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit) Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA

Dòng ra tối đa (5V) 500mA

Dòng ra tối đa (3.3V) 50mA

Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328) với 0.5 KB dung bởi

bootloader

SRAM 2 KB (ATmega328)

EEPROM 1 KB (ATmega328)

 Vi điều khiển:

Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là ATmega8, ATmega168, ATmega328. Bộ não này có thể xử lí những tác vụ đơn giản như điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm một trạm đo nhiệt độ - độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD.…

3.3.7. Mạch cầu H điều khiển động cơ

Hình 3. 29 Cầu H – BTS7960 43A

Mạch cầu H – BTS7960 43A dễ dàng giao tiếp với vi điều khiển với driver tích hợp sẵn trong IC với đầy đủ các tính năng current sense (kết hợp với điện trở đo dòng), tạo dead time, chống quá nhiệt, quá áp, quá dòng, sụt áp và ngắn mạch.

Bảng 3.6 Thông số kỹ thuật

Nguồn 6-27V

Dòng điện tải mạch 43A

Tín hiệu logic điều khiển 3.3 – 5V

Tần số điều khiển tối đa 25 KHz

Kích thước 40x50x12 mm

Ngoài ra, nó còn tự động shutdown khi điện áp thấp. Nếu điện áp < 5.5V, driver sẽ tự ngắt điện và sẽ tự mở lại sau khi điện áp > 5.5V. BTS7960 bảo vệ chống quá nhiệt bằng cảm biến nhiệt tích hợp bên trong, đầu ra sẽ bị ngắt khi có hiện tượng qua nhiệt.

Sơ đồ chân:

 VCC: nguồn tạo mức logic điều khiển

 GND: chân mass

 R_EN = 0 Disable nửa cầu H phải, R_EN = 1 Ensable nửa cầu H phải

 L_EN = 0 Disable nửa cầu H trái, L_EN = 1 Ensable nửa cầu H trái

 RPWM và LPWM : chân điều khiển đảo chiều và tốc độ động cơ

 RPWM = 1 và LPWM = 0 : Mô tơ quay thuận

 RPWM = 0 và LPWM = 1 : Mô tơ quay nghịch

 RPWM = 1 và LPWM =1 hoặc RPWM = 0 và LPWM = 0 : Dừng mô tơ

 R_IS và L_IS : kết hợp với điện trở để giới hạn dòng qua cầu H

3.3.8. Module relay 4 kênh

Relay 4 Kênh gồm 4 rơ le hoạt động tại điện áp 5VDC, chịu được hiệu điện thế lên đến 250VAC 10A. Relay 4 kênh được thiết kế chắc chắn, khả năng cách điện tốt. Trên module đã có sẵn mạch kích relay sử dụng transistor và IC cách ly quang giúp cách ly hoàn toàn mạch điều khiển (vi điều khiển) với rơ le bảo đảm vi điều khiển hoạt động ổn định. Có sẵn header rất tiện dụng khi kết nối với vi điều khiển. Relay 4 kênh sử dụng chân kịch mức Thấp (0V), khi có tín hiệu 0V vào chân IN thì relay sẽ nhảy qua thường Hở của Relay. Ứng dụng với relay module khá nhiều bao gồm cả điện DC hay AC.

Bảng 3.7 Thông số kỹ thuật

Điện áp hoạt động 5VDC

Dòng tiêu thụ 200mA/1Relay

Tín hiệu kích High (5V) hoặc Low (0V) chọn bằng Jumper

Tiếp điểm đóng ngắt max

250VAC-10A hoặc 30VDC-10A

Kích thước 72mm * 55mm * 19mm

Sơ đồ chân:

 Nối chân VCC với nguồn 5v.  Nối chân GND với Mass.

 Đưa tín hiệu từ cảm biến, cảm biến vào chân IN.  COM chân chung của relay.

 NC tiếp điểm thường đóng.  NO tiếp điểm thường mở.

Hình 3. 31 Sơ đồ mạch điện điện thân xe

Trong đó:

 Công tắc TRAI là công tắc xi nhan trái.  Công tắc PHAI là công tắc xi nhan phải.  Công tắc PHA là công tắc đèn đầu.  Công tắc COI là công tắc còi.

3.3.9. Thân và vỏ xe sau khi gia công

Hình 3. 32 Thân vỏ xe sau khi gia công

3.4. Phương pháp điều khiển 3.4.1. Phương pháp điều khiển 3.4.1. Phương pháp điều khiển

Phương pháp dưới đây sử dụng con quay hồi chuyển để duy trì sự đứng thẳng của xe. Tuy nhiên, hệ thống này không thực sự phổ biến vì nhiều lý do, bao gồm không có thiết kế thích hợp cho việc điều khiển sự hoạt động của xe trong tốc độ cao và trong tất cả điều kiện.

Dựa theo nguyên lý cơ bản của con quay hồi chuyển, xây dựng được phương trình căn bản điều chỉnh. Mô men quán tính cho một đĩa tròn khối:

Trong đó:

m: Khối lượng bánh đà r: Bán kính bánh đà

Xoay bánh đà xung quanh một trục, điều này sẽ tạo ra một mô men xoắn. Mô men xoắn này trong cụm bánh đà được tính bằng công thức:

t= Idisk*wdisk*waxis.

Sự quay thẳng đứng của bánh đà đóng một vai trò lớn trong việc sinh ra giá trị mô men có ích nhằm để cân bằng xe. Ngoài thông số quan trọng trong việc điều khiển của chương chính là khối lượng và dạng hình học của bánh đà, tốc độ con quay có thể được điều khiển tùy theo tải khác nhau của xe và do đó, có thể đảm bảo tính năng ổn định của con quay.

Các thông số ảnh hưởng tới quá trình điều khiển xe cân bằng bao gồm: Θx: Góc nghiêng của xe so với phương thẳng đứng (rad)

ϕa: Góc xoay của bánh đà theo phương thẳng đứng (rad) ωd: Tốc độ góc bánh đà (rad/s)

ωa: Tốc độ góc xoay theo trục của bánh đà (rad/s)

Góc nghiêng của xe có thể được điều khiển bằng cách thay đổi ωa lúc này sẽ xuất hiện một mô men nhằm tăng hoặc giảm sự thay đổi góc nghiêng của xe. Khi góc của bánh đà đạt tới 90o thì mô men tạo ra là cực đại.

Điều khiển Θx ϕa thông qua ωa bằng cách sử dụng một bộ điều khiển hiện đại bao gồm nhiều vòng lặp lớn và nhỏ, hoặc chương trình trạng thái. Do đó, hai giá trị này có thể được thực hiện trong cũng khoản thời gian với mức độ ưu tiên cao đảm bảo rằng xe được cân bằng.

Moment quán tính của đĩa con quay từ ¼*m*r2 tới ½*m*r2. Khi tăng giá trị này và giữ nguyên giá trị còn lại thì mô men sinh ra sẽ tăng. Tuy nhiên, Ia và ωa phụ thuộc lẫn nhau bởi vì khi Ia tăng thì động cơ dẫn động đĩa quay cần cung cấp nhìu công hơn để đạt được sự ổn định mong muốn trong khoảng thời gian nhất định.

Moment của con quay theo phương X cũng phụ thuộc vào vị trí góc của con quay. Moment sẽ được giới hạn khi con quay quay tới vị trí thẳng đứng. Khi tốc độ góc của bánh đà tăng, phương quay của con quay sẽ được di chuyển tới gần hoặc ra xa so với phương thẳng đứng. Nếu xe cần được ổn định trong thời gian dài, tốc độ góc phải nằm trong phạm vị yêu cầu, lúc này moment sẽ được tạo ra.

Khi xe bắt đầu dừng lại và có vận tốc tiến về trước chậm thì sẽ xuất hiện một mô men có phương trình: Mx = hf*Ff*sin(Θx), trong đó, hf: độ cao từ trọng tâm cảu xe tới mặt đường. Fr lực tác dụng có điểm đặt tại trong tâm của xe. Θx được xác định so với phương thẳng đứng. Mô men phản lại của con quay được thể hiện với phương trình: Mx= I* ωa * ωd *sin(ϕa).

Ví dụ: Khối lượng của xe là 500 kg di chuyển với vận tốc chậm, mô men sinh ra tại độ nghiêng của xe là 1131 Nm. Để giữ xe không bị đổ cân bằng trở lại thì phải cần mô men yêu cầu là 1131 Nm với chiều ngược lại. Với độ nghiêng 30 độ này có thể sẽ lớn hơn với điều kiện môi trường thực tế không ảnh hưởng tới sự sai sót của hệ thống cân bằng, vì vậy cần một đĩa bánh đà có khối lượng sấp sĩ 7 kg với bán kính là 0.15 m và mô men quán tính là 0.07 kgm2, có số vòng quay là 1570 rad/s. Bên cạnh đó cần tốc độ góc xoay bánh đà là 10.47 rad/s. Vậy nó có thể tạo ra mô men có giá trị 1295 Nm.

3.4.2. Thuật toán điều khiển

Dựa trên nguyên lý củacon quay hồi chuyển, phương pháp cân bằng nằm ngang và các phương trình động học. Chương trình điều khiển cân bằng xe được xây dựng theo lưu đồ bên dưới:

Có hai thành phần rất quan trọng đó là góc nghiêng của xe và vị trí góc xoay của bánh đà. Do đó, hai tín hiệu này không thể thiếu và đảm bảo rằng nó chính xác.

Hình 3. 34 Lưu đồ thuật toán điều khiển bánh đà dựa trên nguyên lý PID

3.4.3. Chương trình điều khiển

Chương trình điều khiển xe cân bằng sử dụng con quay hồi chuyền bao gồm các vòng lặp chính và vòng lặp phụ.

Có hai vòng lặp chính:

 Thu thập tín hiệu góc nghiêng của xe và vị trí góc xoay của bánh đà.

 Điều khiển góc xoay và vân tốc góc xoay của bánh đà bằng thuật toán PID.

3.4.3.1. Chương trình thu tín hiệu từ cảm biến MPU 6050

Hình 3. 35 Sơ đồ kết nối chân giữa cảm biến MPU 6050 và Arduino Uno R3

Bảng 3.7Sơ đồ kết nối chân giữa cảm biến MPU 6050 và Arduino Uno R3

MPU 6050 Arduino Uno R3

Vcc 5V

GND GND

SDA A4

SCL A5

Từ những nghiên cứu và khảo sát thực nghiệm, cảm biến MPU 6050 là cảm biến gia tốc 6 bậc tự do. Có thể tính toán và đo 3 góc với tốc độ xử lý cao thông qua giao thức I2C.

 Truyền tín hiệu giữa MPU 6050 và Arduino Uno R3:

Tín hiệu truyền từ cảm biến MPU 6050 tới Arduino Uno R3 thông qua giao thức I2C với tốc độ xử lý cao và đồng thời liên tục. Như đã biết, I2C là một giao thức giao tiếp cục bộ giũa các thiết bị chính và thiết bị phụ với nhau thông qua các kênh địa chỉ. Đối với MPU 6050 địa chỉ giao tiếp giữa chip xử lý và cảm biến là 0x68, nhưng khi kết nối chân A0 trên cảm biến về mass thì địa chỉ giao tiếp giữa nó và máy tính là 0x69.

Tuy nhiên, tín hiệu của cảm biến rất dễ bị nhiễu. Do đó, chúng ta cần phải có một bộ lọc để có thể thu được tín hiệu chính xác.

Khi cảm biến đặt ở vị trí cân bằng với giá trị là 2,45 độ và động cơ dẫn động bánh đà được khởi động, có thể thấy khi không có bộ lọc, cảm biến bị nhiễu rất nhiều. Biên độ dao động của cảm biến vào khoảng (-0,65 – 6) độ. Việc này sẽ rất khó khăn trong việc điều khiển xe cân bằng. Bên cạnh đó, khi có bộ lọc dường như tín hiệu rất ổn định, có rất ít dao động và dao động có biên độ không cao và khoảng thời gian giao động nhỏ.

Hình 3. 36 Tín hiệu khi cảm biến ở vị trí cần bằng và động cơ dẫn động bánh đà được khởi động

Hình 3. 37 Tín hiệu khi thay đổi góc nghiêng của xe

Khi thay đổi góc nghiêng của xe, có thể thấy khi có bộ lọc, dường như tín hiệu thể hiện rất rõ khả năng tính toán góc của cảm biến, không có sai sót nào. Mặt khác khi không có bộ lọc, tín hiệu sai số rất nhiều, có lúc độ nghiêng của xe vọt lên rất cao so với thực tế.

So sánh hai kết quả, có thể chắc chắn rằng sự chênh lệch rõ ràng của tín hiệu cảm biến khi có bộ lọc và khi không có lọc. Đây là một trong những tín hiệu quan trọng trong quá trình điều khiển xe cân bằng.

3.4.3.2 Chương trình thu tín hiệu từ cảm biến Encoder

Bảng 3.8 Sơ đồ nối chân giữa cảm biến Encoder và Arduino Uno R3

Encoder Arduino Uno R3

GND GND

A 2

VCC 5V

 Nguyên lý thu tín hiệu:

Nguyên lý cơ bản của encoder, đó là một đĩa tròn xoay, quay quanh trục. Trên đĩa có các lỗ (rãnh). Người ta dùng một đèn led để chiếu lên mặt đĩa. Khi đĩa quay, chỗ không có lỗ (rãnh), đèn led không chiếu xuyên qua được, chỗ có lỗ (rãnh), đèn led sẽ chiếu xuyên qua. Khi đó, phía mặt bên kia của đĩa, người ta đặt một con mắt thu. Với các tín hiệu có, hoặc không có ánh sáng chiếu qua, người ta ghi nhận được đèn led có chiếu qua lỗ hay không. Số xung đếm được và tăng lên nó tính bằng số lần ánh sáng bị cắt!