Đang tải... (xem toàn văn)
thiết kế mô hình xe 2 bánh tự cân bằng
LỜI CẢM ƠN Đầu tiên,em xin cảm ơn gia đình – chỗ dựa vững chắc cả về vật chất lẫn tinh thần,đã tạo mọi điều kiện tốt đẹp cho chúng em. Chúng em xin chân thành cám ơn các Thầy, Cô ở bộ môn Điều Khiển Tự Động nói riêng và Thầy, Cô ở các Bộ Môn khác của trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc Gia Tp.HCM đã truyền đạt cho chúng em những kiến thức, hành trang vô cùng quý báu trong suốt hơn bốn năm qua.Em cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến người thầy trực tiếp hướng dẫn em thực hiện luận văn –thầy Nguyễn Đức Hoàng , cảm ơn thầy đã những lời khuyên bổ ích cho em. Cuối cùng,mình xin gửi lời cảm ơn tới những người bạn đã đồng hành đã hỗ trợ mình trong những thời điểm khó khan.Cảm ơn các bạn đã giúp đỡ mình hoàn thành luận văn này. 1 TÓM TẮT LUẬN VĂN Nhiệm vụ của luận văn là tạo ra một mô hình xe 2 bánh tự cân bằng.Người thực hiện có nhiệm vụ vận dụng các kiến thức về bộ điều khiền ,kiến thức về động lực , các thành phần phần cứng học nhằm tạo ra một thuật toán để giữ cho xe đứng giữ được cân bằng. Kết quả đạt được là mô hình xe có thể giữ cân bằng ổn định trong thời gian dài thậm chí có tác đông từ môi trường bên ngoài hoặc khi trọng tâm của xe mất cân bằng.Ngoài ra , xe cũng có thể được điều khiển qua sóng Bluetooth bằng máy tính hoặc 1 điện thoại android. 2 MỤC LỤC Trang bìa ……………………………………………………………………i Lời cảm ơn …………………………………………………………………ii Tóm tắt đề tài …………………………………………………………………iii Mục lục ………………………………………………………………….iv Danh sách các hình vẽ …………………………………………………………………v Danh sách các từ viết tắt …………………………………………………………… vi Chương 1: Giới thiệu Chương 2: Tổng quan 2.1.Nguyên tắc hoạt động 2.2Đặc tính của xe 2 bánh tự cân bằng 2.3 Ưu nhược điểm của xe 2 bánh tự cân bằng 2.4.Khả năng ứng dụng 2.5.Tình hình nghiên cứu trên thế giới Chương 3: Phương pháp nghiên cứu 3.1.Thuật toán điều khiển 3.2.Mô phỏng Matlab 3 3.3.Các phương pháp xử lí tín hiệu từ cảm biến. Chương 4: Thực hiện 4.1. Phần mềm 4.2. Phần cứng 4.2.1 Giới thiệu về encoder 4.2.2 Giao tiếp Bluetooth 4.2.3 Tổng quan về board mạch điều khiển 4.2.4 Macgj lái động cơ 4.2.5.Cảm biến MPU6050. Chương 5: Kết quả và bàn luận Tài liệu tham khảo Chương 1 GIỚI THIỆU 1.Đặt vấn đề: Trong thế giới ngày nay,khi con người đang sống và làm việc trong một thế giới biến đổi và không ngừng phát triển.Nhưng song song với đó là vấn nạn ô nhiễm môi trường sống và sự can kiệt các nguồn tài nguyên môi trường.Chính điều này đã đặt ra cho các nhà khoa học một nhiệm vụ thách thức hơn: không chỉ đạt các yêu cầu về kĩ thuật mà còn phải giải quyết được vấn đề về năng lượng và môi trường. 4 Đặc biệt,trong lĩnh vực giao thông vận tải,đây là ngành trực tiếp thải vào môi trường các chất thải từ quá trình đốt các nhiên liệu hóa thạch như xăng ,dầu,… bên trong các phương tiện như ô tô,xe máy.Vì thế trong thời gian gần đây,ngoài việc nghiên cứu và đưa vào ứng dụng các nguồn năng lượng xanh như điện, nước,nguyên liệu sinh học thay thế cho các nguồn dầu mỏ đang cạn kiệt thì việc tìm kiếm các phương thức di chuyển mới sao cho quá trình di chuyển thuận lợi hơn trong bối cảnh số lượng phương tiện giao thông ngày càng tăng cũng được quan tâm không kém.Nổi bật lên trong số những sản phẩm như vậy,đó là chiếc xe hai bánh tự cân bằng Segway,dựa trên bài toán con lắc ngược cổ điển,do kĩ sư người Mỹ Dean Kamen phát minh với nhiều ưu điểm vượt trội và khả năng ứng dụng rộng rãi. Trong điều kiện tài chính cho phép,người thực hiện đề tài cũng mong muốn tạo ra một mô hình nhỏ xe 2 bánh tự cân bằng nhằm mục đích nghiên cứu ứng dụng lý thuyết cân bằng trong mô hình này. 2.Mục tiêu nghiên cứu: Mục tiêu chính của đề tài luận văn này là tìm ra giải thuật để làm cho mô hình xe này có thể cân bằng thậm chí trong điều kiện có tác động từ môi trường bên ngoài. Luận văn cũng cố gắng tìm ra phương thức để xe có thể đứng cân bằng trong điều kiện trọng tâm của xe thay đổi hay cân bằng trên mặt phẳng nghiêng. Ngoài ra, mô hình xe 2 bánh tự cân bằng cũng được them vào chức năng điều khiển như tới,lùi,quay trái ,quay phải. 3.Giới hạn của đề tài: Vì đây chỉ là một mô hình nhỏ xe 2 bánh tự cân bằng với mục đích chính là nghiên cứu và phát triển về sau nên xe chỉ có thể mang các vật nhẹ ,chưa thể mang hoặc chở người hay vật nặng. 5 Chương 2 TỔNG QUAN 1.Nguyên tắc hoạt động: 6 Hình 1.1. Mô tả nguyên lý giữ cân bằng. Đối với các xe ba hay bốn bánh,việc thăng bằng và ổn định của chúng là nhờ trọng tâm của chúng nằm trong bề mặt chân đế do các bánh xe tạo ra.Đối với các xe 2 bánh có cấu trúc như xe đạp, việc thăng bằng khi không di chuyển la hoàn toàn không thể,vì việc thăng bằng của xe đạp dựa trên tính chất con quay hồi chuyển ở 2 bánh xe khi đang quay.Còn đối với xe 2 bánh tự cân bằng,loại xe có 2 trục động cơ gắn với 2 bánh xe trùng nhau thì để cho xe cân bằng ,trọng tâm của xe cần được giữ ngay giữa xe.Ta gọi góc giữa trục thẳng đứng của xe so với phương thẳng đứng của trọng lực là góc pitch.Tại vị trí cân bằng,ta coi pitch = 0(điểm cân bằng). Hình 1.2. Mô tả nguyên lý cân bằng của xe. 7 Ta phân tích quá trình thăng bằng của xe.Nếu xe nguyên về phía trước(tức là pitch>0),ta sẽ cho xe chạy về phía trước để giảm giá trị góc pitch về lại điểm zero,khi ấy xe lại trở lại điểm cân bằng.Quá trình này diễn ra tương tự trong trường hợp xe chạy lùi về phía sau(pitch<0).Nhưng vấn đề đặt ra là lực động cơ tác động vào bánh xe như thế nào để đủ kéo xe về lại vị trí cân bằng.Đó chính là lý do ta cần bộ điều khiển PID với đầu vào là sai số giữa góc pitch với góc zero .Bộ điều khiển PID sẽ có nhiệm vụ tính ra giá trị hợp lý để điều chỉnh động cơ lái xe về vị trí cân bằng. 2.Đặc tính của xe 2 bánh tự cân bằng: Những remote robot được xây dựng hầu hết là những robot di chuyển bằng ba bánh xe,với 2 bánh xe được lắp ráp đồng trục và 1 đuôi bánh lái nhỏ.Còn đối với xe 4 bánh , thường 1 đầu xe có 2 bánh truyền động và đầu xe còn lại được gắn 2 bánh bẻ lái. Việc thiết kế xe 3 hay 4 bánh làm cho xe thăng bằng ổn định nhờ trọng lượng được chia đều cho 2 bánh chính và bánh đuôi.Đối vơi xe 3 bánh,Nếu trọng lượng đặt nhiều vào bánh lái thì xe/robot sẽ không ổn định và dễ ngã.Vì vậy,nhiều thiết kế chỉ có thể di chuyển tốt trên địa hình phẳng,không thể di chuyển lên xuống trên địa hình lồi lõm hay mặt phẳng nghiêng.Khi di chuyển lên đồi ,trọng lượng xe dồn vào đuôi bánh xe làm bánh lái mất khả năng bám và trượt ngã.Khi di chuyển xuống đồi,trọng tâm bị dồn về phía trước sẽ làm cho xe dễ bị lật úp. 8 Hình 1.3.Trạng thái xe 3 bánh khi di chuyển trên dốc. Ngược lại,các xe dạng 2 bánh đồng trục lại thăng bằng rất linh động khi di chuyển trên địa hình phức tạp,mặc dù bản thân là một hệ thống không ổn định.Khi nó leo lên sườn dốc,nó tự động nghiêng ra phía trước và giữ cho trọng tâm dồn vào 2 bánh .Tương tự như vậy,khi xuống dốc,nó nghiêng ra phía sau và cũng giữ cho trọng tâm rơi vào các bánh xe.Chính vì vậy,không bao giờ có hiện tượng trọng tâm của xe rơi ra ngoài vùng đỡ của các bánh xe để gây ra sự lật úp. 9 Hình 1.3. Trạng thái của xe khi di chuyển lên xuống dốc. Như vậy,đối với những địa hình lồi lõm và những ứng dụng thực tế,sự thăng bằng của xe 2 bánh có thể sẽ mang lại nhiều ý nghĩa thực tiễn trong giới hạn ổn định hơn so với xe 3 bánh truyền thống. 3.Ưu,nhược điểm của xe 2 bánh tự cân bằng: a.Ưu điểm: + Không gây ô nhiễm, sử dụng điện và có thể sạc điện được. + Tối ưu hóa không gian sử dụng( ngoài đường phố, văn phòng, ) +Giá thành thấp hơn so với xe hơi. +Hình dáng độc đáo,mới lạ gây cuốn hút người tiêu dùng. +Dễ dàng điều khiển và dừng lại. b.Nhược điểm: + Không thể thư giãn và khá mệt mỏi khi lái do phải đứng trong lúc điều khiển. 10 [...]... mạch xử lí của xe. Khi nghiêng về phía trước,mạch xử lí sẽ ra lệnh cho 2 động cơ quay về trước và giữ về trạng thái cân bằng. Khi người điều khiển quẹo trái hay quẹo phải,động cơ làm 1 trong 2 bánh xe quay nhanh hơn bánh xe kia hoặc 2 bánh xe quay ngược chiều để xe xoay quay _ HTV: 15 Nhóm sinh viên ngành kĩ thuật HTV của trường đại học Camosun đã cho ra đời mô hình xe cân bằng HTV Mô hình xe HTV đã sử... tính đa năng của xe 5.Tình hình nghiên cứu trên thế giới: a.Một số mô hình xe 2 bánh tự cân bằng: _ nBot: nBot do David P.Anderson sang chế.nBot được lấy ý tưởng để cân bằng như sau: các bánh xe sẽ phải chạy theo hướng mà phần trên robot sắp ngã.Nếu các bánh xe có thể được lái theo cách đứng vững theo trọng tâm của robot,robot sẽ vẫn giữ được cân bằng. Trong thực tế ,điều này đòi hỏi 2 cảm biến thông... nghiêng để đo góc nghiêng của xe so với phương trọng lực và encoder trên bánh xe để xác định vị trí của robot.Bốn thông số để xác định hoạt động và vị trí của xe gồm: +Góc nghiêng +Đạo hàm góc nghiêng – vận tốc góc +Vị trí bánh xe +Đạo hàm vị trí bánh xe – vận tốc bánh xe 11 Bốn giá trị này được tổng hợp lại trong bộ điều khiển và phản hồi điện áp động cơ,tương ứng với momen cân bằng tới module lái động... mờ(Fuzzy Logic) _ Spider: Chiếc Spider do Francisco cho ra đời vào cuối tháng 2/ 2004.Nó có thể cân bằng hầu như trong mọi tình huống,di chuyển ,lượn vòng quanh.Spider được điều khiển bằng 2 động cơ của hãng NPC và gia tốc kế 2 trục bằng thiết bị analog chứa 2 thành phần chính: Cảm biến Gyro silicon và vi điều khiển BasicX.Khung xe được chế tạo từ khung nhôm và sợi cacbon.Bộ lái động cơ làm từ MOSFET.Nguồn... giống như vậy ngoại trừ nó có 2 bánh xe thay vì đôi chân.Cũng như bộ não,dựa vào cảm biến góc nghiêng nó biết đang nghiêng về phía 14 trước.Để duy trì cân bằng, nó quay bánh xe đến trước với tốc độ vừa phải đủ để về trạng thái cân bằng Nhìn tổng quan,Segway chính là sự kết hợp của 1 dãy các cảm biến,một hệ thống kiểm soát và 1 hệ thống động cơ Hệ thống cảm biến chủ yếu là sự kết hợp các con quay hồi chuyển(... offline Có thể bao gồm phân tích các van và cảm biến Cho phép mô phỏng trước khi tải xuống để thực thi Giá cả cao, và phải huấn luyện Ở đây ta sử dụng phương pháp điều chỉnh thủ công 2 .Mô phỏng Matlab: Đầu tiên ta xây dựng mô hình xe dựa vào mô hình con lắc ngược từ các phương trình động lực học.Trong ví dụ này,ta sử dụng mô hình gồm chiếc xe có gắn 1 thanh con lắc ngược.Tín hiệu điều khiển là lực F... l*cos(u(1))*(u (2) ^2) + l*sin(u(1))*u(3) + g ) Mô hình cuối cùng của hệ thống được đóng gói trong khối Subsystem như sau 26 Xây dựng bộ điều khiển PID để điều khiển sao cho xe giữ vị trí thẳng đứng so với phương của trọng lực khi có 1 lực có chu kì tác động vào xe: _ Dưới đây là mô hình điều khiển: Lực tác động có các thông số sau: +Biên độ là 1000 + Chu kì là 10s +Độ rộng xung là 0.01% chu kì 27 Các thông... áp động cơ,tương ứng với momen cân bằng tới module lái động cơ _ Balance bot I: Balance-bot I (do Sanghyuk,Hàn Quốc thực hiện) là một robot 2 bánh tụ cân bằng bằng cách kiểm soát thông tin đầu vào.Hệ thống cao 50cm.Khung chính được làm bằng nhôm.Nó có 2 trục bánh xe nối với hộp giảm tốc và động cơ DC cho sự truyền động.Tổng cộng có tất cả 3 bộ vi xử lý của atmel được sử dụng: vi điều khiển chính(master)... đạo hàm bậc 2 các giá trị này: xp = x + lsin p = +lcos p = sin +lcos yp = - lcos p = lsin p = cos +lsin Thay các biểu thức này vào trong biểu thức N và P ở trên ta được: N = k(sin +lcos P = k(cos +lsin) +g Sau khi ta đã có các phương trình mô tả hệ thống tiếp theo là ta se xây dựng mô hình Simulink để mô phỏng mô hình con lắc ngược 25 Trong đó với mỗi khối f(u) đại diện cho mỗi phương trình mô tả hệ thống:... PID gồm 2 bộ: 1 bộ để kiểm soát vận tốc của xe, với đầu vào là vận tốc đặt cho xe, bộ PID còn lại dùng để kiểm soát góc nghiêng của xe so với vị trí thẳng đứng.Đầu ra của bộ điều khiển PID vận tốc sẽ là đầu vào của PID góc -Quy trình thiết kế bộ điều khiển PID nối tiếp: +Đầu tiên ta tiến hành thực hiện bộ điều khiển PID đơn giám sát góc nghiêng Tín hiệu đầu vào là góc đặt mà tại đó xe đứng cân bằng( trong . đối với xe 2 bánh tự cân bằng, loại xe có 2 trục động cơ gắn với 2 bánh xe trùng nhau thì để cho xe cân bằng ,trọng tâm của xe cần được giữ ngay giữa xe. Ta gọi góc giữa trục thẳng đứng của xe so. xe về vị trí cân bằng. 2. Đặc tính của xe 2 bánh tự cân bằng: Những remote robot được xây dựng hầu hết là những robot di chuyển bằng ba bánh xe, với 2 bánh xe được lắp ráp đồng trục và 1 đuôi bánh. với xe 4 bánh , thường 1 đầu xe có 2 bánh truyền động và đầu xe còn lại được gắn 2 bánh bẻ lái. Việc thiết kế xe 3 hay 4 bánh làm cho xe thăng bằng ổn định nhờ trọng lượng được chia đều cho 2 bánh