Khóa luận Nghiên cứu thuật toán điều khiển robot hai bánh tự cân bằng (Phần 1)

Nội dung text: Khóa luận Nghiên cứu thuật toán điều khiển robot hai bánh tự cân bằng (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG 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 CÔNG TRƢỜNG MSSV: 11146182 SVTH: TRẦN NHẬT HUY MSSV: 11146195 S K L 0 0 3 7 6 4 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7/2015
2. 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 Lớp: 11146CLC Khoá: 2011 -2015 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2015
3. TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƢỢNG CAO Độc lập - Tự do – Hạnh phúc Bộ môn cơ điện tử. NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Giảng viên hƣớng dẫn: Ths Võ Lâm Chƣơng Sinh viên thực hiện: Trịnh Đình Việt MSSV: 11146183 Trần Nhật Huy MSSV: 11146195 Trần Nhật Huy MSSV: 11146182 1. Tên đề tài: Nghiên cứu thuật toán điều khiển robot hai bánh tự cân bằng. 2. Nội dung chính của đồ án: Đề tài tập trung vào việc xây dựng các mô hình thuật toán điều khiển robot hai bánh tự cân bằng bằng các bộ điều khiển PID( Proportional Integral Derivative) và LQR (Linear-quadratic-regulator). Xây dựng giải thuật lọc tín hiệu từ cảm biến sử dụng bộ lộc bổ phụ, bộ lọc kalman. Đồng thời thiết kế chế tạo mô hình thực tế robot có khả năng giữ cân bằng và di chuyển linh hoạt trên địa hình phẳng. 3. Các sản phẩm dự kiến - Mô hình điều khiển robot hai bánh tự cân bằng sử dụng hai bộ điều khiển PID và LQR trên Matlab-Simulink. - Mô hình điều khiển robot hai bánh tự cân bằng sử dụng hai bộ điều khiển PID và LQR trên mô hình thực tế. 4. Ngày giao đồ án: Ngày 06 tháng 02 năm 2015 5. 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) 1
4. LỜI CAM KẾT - Tên đề tài:Nghiên cứu thuật toán điều khiển robot hai bánh tự cân bằng. - 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 chỉ 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 tôi xin cam đoan khoá luận tốt nghiệp (ĐATN) này là công trình do chính chúng tôi nghiên cứu và thực hiện. Chúng tôi không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã được công bố mà không trích dẫn nguồn gốc. Nếu có bất kỳ một sự vi phạm nào, chúngtôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm”. Tp. Hồ Chí Minh, ngày . tháng . năm 20 Ký tên 2
5. LỜI CÁM ƠN Sau nhiều tháng ngày học tập và làm việc nghiêm túc, đồ án đã hoàn thành đúng kì hạn. Để có đƣợc thành quả này, một mặt là sự cố gắng và kiến thức của bản thân, mặt khác còn là sự chỉ dẫn tận tình của thầy cô, sự giúp đỡ của bạn bè, sự động viên khích lệ của ngƣời thân. Xin đƣợc gửi lời tri ơn đến: - Thầy ThS VÕ LÂM CHƢƠNG, giáo viên hƣớng dẫn, ngƣời đã trực tiếp chỉ bảo, động viên nhóm thực hiện trong suốt thời gian thực hiện đồ án. - Thầy PGS.TS NGUYỄN NGỌC PHƢƠNG, giáo viên phản biện, ngƣời đã phản biện, góp ý cho đề tài đƣợc hoàn thiện và tốt hơn. - Các giáo viên trong hộ đồng phản biện, ngƣời đã phản biện, góp ý cho đồ án với tinh thần khách quan, khoa học, giúp đồ án hoàn thiện hơn. - Cuối cùng xin cảm ơn đến tất cả thầy cô và bạn bè trƣờng Đại họcSƣ Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh đã giúp đỡ cũng nhƣ tạo điều kiện cho đồ án đƣợc hoàn thành tốt đẹp. Sinh viên thực hiện Trịnh Đình Việt Trần Nhật Huy Trịnh Công Trƣờng 3
6. MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1 LỜI CAM KẾT 2 LỜI CÁM ƠN 3 MỤC LỤC 4 MỤC LỤC HÌNH ẢNH 7 LỜI NÓI ĐẦU 9 TÓM TẮT ĐỀ TÀI 10 Chƣơng 1: 12 ĐẶT VẤN ĐỀ 12 1. Đối tƣợng nghiên cứu: 12 2. Khả năng ứng dụng: 14 3. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc: 14 3.1. Trong nƣớc 14 3.2. Ngoài nƣớc 14 Chƣơng 2: 16 GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ 16 1. Mục đích đề tài: 16 2. Giới hạn đề tài: 16 3. Phƣơng pháp nghiên cứu: 16 3.1. Phƣơng pháp nghiên cứu chung: 16 3.2. Lựa chọn phƣơng án thực hiện: 16 3.2.1. Thu thập và xử lý giá trị góc nghiêng, vận tốc góc, quãng đƣờng và vận tốc dài: 16 3.2.1.1. Dùng cảm biến MPU6050 để đọc giá trị góc nghiêng và vận tốc góc: 16 3.2.1.2. Dùng cảm biến Encoder để đọc giá trị vị trí và vận tốc dài: 17 3.2.2. Lựa chọn bộ lọc cho cảm biến gia tốc và vận tốc góc: 17 3.2.3. Thiết kế bộ điều khiển cho robot: 17 3.2.3.1 Vi mạch điều khiển robot: 17 3.2.4. Kết cấu cơ khí của robot: 17 3.2.5. Lựa chọn nguồn nuôi cho robot: 18 Chƣơng3: 19 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 19 1. Mô hình hóa robot hai bánh tự cân bằng 19 2. Lý thuyết về bộ điều khiển PID 24 4
7. 2.1. Giới thiệu 24 2.2. Lý thuyết điều khiển PID 25 2.2.1 Bộ PID liên tục 25 a) Giới thiệu 25 b) Sử dụng mô hình xấp xỉ bậc nhất có trễ của đối tƣợng 26 c. Xác định thông số bằng thực nghiệm 27 2.2.2 Bộ PID số 28 a. Nguyên lý điều khiển PID số 28 b) Xác định tham số cho PID số bằng thực nghiệm 30 c) Xác định hàm quá độ của đối tƣợng 30 d) Xác định từ giá trị tới hạn 31 3. Lý thuyết về điều chỉnh toàn phƣơng tuyến tính (Linear Quadratic Regulator - LQR) 31 3.1. Bài toán dạng LQR liên tục 31 3.2. Bài toán LQR rời rạc 33 Chƣơng4: 35 BỘ LỌC CHO CẢM BIẾN 35 1. Giới thiệu về MPU6050 35 1.1. Giới thiệu 35 1.2. Lấy dữ liệu từ cảm biến 36 1.3. Xử lý tín hiệu MPU6050 37 a) Đối với dữ liệu lấy từ Gyro: 37 b) Đối với dữ liệu lấy từ Accelerometer 37 1.4. Các phƣơng pháp xử lý tín hiệu từ cảm biến MPU6050 38 1.4.1. Lọc bổ phụ thông tần (complementary) 38 1.4.2) Lọc thích nghi – Bộ lọc Kalman 40 a) Giới thiệu chung về bộ lọc kalman 40 b) Tóm tắc lý thuyết về bộ lọc Kalman 41 c) Áp dụng bộ lọc Kalman cho việc xử lý tín hiệu từ cảm biến MPU6050 42 d) Giải thuật bộ lọc Kalman áp dụng cho cảm biến MPU6050 trên vi điều khiển 45 e) Kết quả thực nghiệm bộ lọc Kalman 46 1.4.3 So sánh các bộ lọc 47 Chƣơng5: 49 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 49 1. Thiết kế bộ điều khiển robot hai bánh tự cân bằng trên Matlab/Simulink 49 1.1. Thiết kế bộ điều khiển PID (Proportional Integral Derivative) trên Matlab-simulink 49 1.2. Thiết kế bợ điều khiển LQR (Linear Quadratic Regulator) trên Matlab-simulink 52 5
8. 1.3. So sánh hai bộ điều khiển 53 2. Thiết kế bộ điều khiển robot hai bánh tự cân bằng mô hình robot 54 2.1. Thiết kế bộ điều khiển PID trên mô hình 54 2.1.1 Thuật toán điều khiển PID cân bằng robot dựa trên góc nghiêng và không có giá trị hồi tiếp vị trí, vận tốc dài 54 Chƣơng6: 61 THIẾT KẾ MÔ HÌNH 61 1. Thiết kế cơ khí 61 1.1. Tính toán và thiết kế mô hình cho hệ thống 61 1.1.1 Tính toán và lựa chọn linh kiện cho mô hình. 61 1.1.2 Thiết kế mô hình trên bản vẽ solidworks 62 1.1.3 Mô hình robot hai bánh tự cân bằng thực tế 63 2. 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 70 2.1.3.2 Sơ đồ khối 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 về nhiệt độ 72 2.1.3.6 Thông tin ứng dụng 72 2.1.3.7 Sơ đồ nguyên lý 73 3. Phan mềm điều khiển 73 Chƣơng 7: 74 KẾT LUẬN, ĐỀ NGHỊ 74 1. Những vấn đề đã đƣợc giải quyết trong luận văn: 74 1.1. Những vấn đề đã nghiên cứu: 74 1.2. Những vấn đề đã thực hiện: 74 2. Các phƣơng hƣớng phát triển của đề tài: 75 TÀI LIỆU KHAM KHẢO 76 6
9. MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình 0.1:Sơ đồ khối của đồ án 11 Hình 1.1: Nguyên lý hoạt động của robot 2 bánh tự cân bằng 12 Hình 1.2: Robot lúc cân bằng va di chuyển về phía trƣớc 13 Hình 1.3: Khi robot xuống dốc (bên trái) thân robot nghiêng về sau để giảm vận tốc và giữ thăng bằng; robot lên dốc (bên phải) thân robot nghiêng với góc nghiêng lớn hơn góc nghiêng của dốc 13 Hình1.4: Mô hình robot hai bánh tự cân bằng luận văn thạc sĩ của tác giả Nguyễn Gia Minh Thảo, trƣờng Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh 14 Hình 1.5: Robot Nhật Bản EMIEW 2 của Hitachi 15 Hình 1.6: Automated Music Personality của Ologic 15 Hình 2.1: Mô hình của Robot 18 Hình 3.1: Mô hình phân tích của robot hai bánh tự cân bằng 19 Hình 3.2: Bộ điều khiện PID 24 Hình 3.3: Lý thuyết điều khiển PID 25 Hinh 3.4: Đồ thị hàm số quá độ của đối tƣợng 26 Hinh 3.5: Xác định tham số cho mô hình xấp xỉ biểu thức (3.4) của đối tƣợng 27 Hinh 3.6 : Xác định hằng số khuếch đại 28 Hình 3.7 : Điều khiển với bộ PID số 29 Hình 3.8 : Minh học công thức xấp xỉ thành phần tích phân 30 Hình 3.9 : Xác định tham số của PID số theo phƣơng pháp Takahashi .30 Hình 4.1 :Protocol của chuẩn I2C 35 Hình 4.2 : Bộ lọc bộ phụ thông tần 38 Hình 4.3 :Bộ lọc bộ phụ thông tần 39 Hình 4.4 :Đáp ứng tín hiệu của góc Roll chƣa qua bộ lọc (màu đỏ) và Roll qua bộ lọc complementary (màu xanh) ở trạng thái tĩnh 40 Hình 4.5 :Đáp ứng tín hiệu của góc Roll chƣa qua bộ lọc (màu đỏ) và Roll qua bộ lọc complementary (màu xanh) ở trạng thái động 40 Hình 4.6 : Phƣơng trình của bộ lọc kalman 42 Hình 4.7 : Đáp ứng tín hiệu của góc Roll chƣa qua bộ lọc (màu đỏ) và Roll qua bộ lọc Kalman (màu xanh) ở trạng thái tĩnh 46 Hình 4.8 :Đáp ứng tín hiệu của góc Roll chƣa qua bộ lọc (màu đỏ) và Roll qua bộ lọc Kalman (màu xanh) ở trạng thái động 47 Hình 4.9 :Đáp ứng tín hiệu của góc Roll chƣa qua bộ lọc (màu đỏ), góc Roll qua bộ lọc Complementary (màu xanh lá cây) và góc Roll qua bộ lọc Kalman (màu xanh dƣơng) ở trạng thái tĩnh 48 7
10. Hình 4.10 :Đáp ứng tín hiệu của góc Roll chƣa qua bộ lọc (màu đỏ), góc Roll qua bộ lọc Complementary (màu xanh lá cây) và góc Roll qua bộ lọc Kalman (màu xanh dƣơng) ở trạng thái động 48 Hình 5.1:giá trị các tham số mô hình robot 49 Hình 5.2:Mô hình Simulink mô phỏng robot hai bánh tự cân bằng sử dụng thuật toán điều khiển PID 50 Hình 5.3 :Mô hình toán học của robot hai bánh tự cân bằng 50 Hình 5.4 :Biều đổ đáp ứng góc nghiêng 51 Hình 5.5 :Biều đổ đáp ứng vị trí 51 Hình 5.6 :Mô hình toán học của robot hai bánh tự cân bằng 52 Hình 5.7 :Biều đổ đáp ứng góc nghiêng và vị trí 52 Hình 5.8 : Biều đồ đáp ứng đầu ra của giá trị góc nghiêng với góc đặt và góc 53 Hình 5.9 :Biều đổ đáp ứng vị trí 54 Hình 5.10 :Bộ điều khiển PID cân bằng robot dựa trên góc nghiêng 54 Hình 5.11 : Giải thuật điều khiển 55 Hình 5.12 :Đáp ứng góc lệch θ của Robot ở trạng thái cân bằng và không di chuyển 56 Hình 5.13 :Đáp ứng vị trí của Robot ở trạng thái cân bằng 56 Hình 5.14 : Giải thật điều khiển 57 Hình 5.15 : Đáp ứng góc lệch θ của Robot ở trạng thái cân bằng và không di chuyển 58 Hình 5.16 :Đáp ứng vị trí của Robot ở trạng thái cân bằng với vị trí xét ban đầu là -0.2 mét 58 Hình 5.17 : Giải thuật điều khiển 59 Hình 5.18 : Đáp ứng góc lệch θ của Robot ở trạng thái cân bằng và không di chuyển .60 Hình 5.19 : Đáp ứng vị trí của Robot ở trạng thái cân bằng với vị trí xét ban đầu là -0.4 mét 60 Hình 6.1 : Mô tả thời gian robot ngã từ trạng thái cân bằng đến một gócnghiêng 20 độ 61 Hình 6.2: Mô hình của Robot trên solidworks 62 Hình 6.3 : Mô hình robot hai bánh tự cân bằng 63 Hình 6.4 : Chu trình hoạt động của Arduino 64 Hình 6.5 : Board Arduino Mega2560 65 Hình 6.6 : Sơ đồ nguyên lý Arduino Mega2560 70 Hình 6.7 : Sơ đồ khối của IC L298 71 Hình 6.8 : Sơ đồ chân 72 Hình 6.9 : Sơ đồ nguyên lý 73 Hình 7.0 : Phần mềm android điều khiển robot 73 8
11. LỜI NÓI ĐẦU Mô hình Robot hai bánh tự cân bằng hoạt động đựa trên nguyên lý tự cân bằng của con lắc ngƣợc.Mặc dù robot chỉ hoạt động trên 2 bánh nên không có tính ổn định. Nhƣng chính điểm yếu này của robot vô tình đã trở thành ƣu điểm của nó, vì robot di chuyển trên 2 bánh nên sẽ chiếm ít không gian và di chuyển linh hoạt hơn, nó sẽ liên tục chỉnh sửa độ nghiêng để duy trì ổn định. Do đó robot thể hiện đƣợc tính linh động của mình, cho phép hoạt động và điều hƣớng dễ dàng trên các địa hình khác nhau. Việc nghiên cứu robot tự cân bằng là sự xem xét sự phù hợp của 2 bộ điều khiển PID và LQR. Bộ điều khiển LQR sử dụng nhiều ma trận trọng số để điều khiển và kiểm soát hoạt động của robot. Còn bộ điều khiển PID sử dụng các giá trị vị trí,vận tốc, góc, để kiềm soát đƣờng đi của robot. Trong hệ thống điều khiển có sử dụng các bộ lọc để loại trừ các tín hiệu nhiễu từ hệ thống, tín hiệu đo,sai số của ngõ ra và đồng thời có thể ƣớc lƣợng đƣợc giá trị đo trong tƣơng lai của cảm biến.Bộ lọc Kalman đƣợc nghiên cứu và sử dụng nhằm mục đích đạt đƣợc kết quả tối ƣu về tình trạng của xe gồm góc nghiêng,vận tốc quay và các cảm biến thành phần. Mục tiêu của đề tài là xây dựng mô hình robot 2 bánh có khả năng tự cân bằng với kết cấu đơn giản, nhằm phục vụ cho nhu cầu nghiên cứu,học tập,giải trí, Vì vậy, đây sẽ là một hƣớng nghiên cứu đầy hứa hẹn và cũng không ít thách thức. Với mong muốn tham gia và góp phần vào sự phát triển lĩnh vực robot di chuyển bằng hai bánh, chúng em thực hiện đề tài “Nghiên cứu thuật toán điều khiển robot hai bánh tự cân bằng”. 9
12. TÓM TẮT ĐỀ TÀI Sau hơn 15 tuần học tập và làm việc nghiêm túc, đề tài đã hoàn thành đúng thời hạn. Đề tài đã giải quyết đƣợc những vấn đề trọng tâm sau: - Nghiên cứu tổng quan tình hình phát triển robot cân bằng, scooter, nguyên lý cơ bản về cân bằng trong và ngoài nƣớc. - Nghiên cứu, tìm hiểu các thuật toán điều khiển: phƣơng pháp điều khiển PID, điều khiển tối ƣu toàn phƣơng tuyến tính LQR, ƣớc lƣợng trạng thái tối ƣu (lọc kalman), - Tính toán các tham số động lực học, hàm trạng thái của mô hình. Thiết kế, mô phỏng bộ điều khiển hệ robot hai bánh xe giữ cân bằng sử dụng phƣơng pháp điều khiển PID và LQR và bộ lọc kalman trên Matlab-Simulink - Thiết kế robot với phần mềm Solidworks, một trong những phần mềm vẽ kỹ thuật mạnh nhất hiện nay. - Nghiên cứu, sử dụng cảm biến MPU6050 và sử dụng các bộ lọc (Thông thấp, thông cao, bổ phụ, kalman) để tăng chất lƣợng tín hiệu. - Thiết kế bộ điều khiển PID và LQR trên hệ mô hình robot 2 bánh tự cân bằng thực - Nghiên cứu và sử dụng board Arduino mega2560. Một trong những board đƣợc sử dụng rộng rãi hiện nay với mã nguồn mở. - Nghiên cứu sử dụng Module Wifi truyền dữ liệu không dây - Nghiên cứu Động cơ RC Servo và DC Servo và Module điều khiển DC Servo dùng LM298. - Thi công hoàn chỉnh một Two wheels balancing robot gồm kết cấu cơ khí, mạch điều khiển, giao diện điều khiển trên máy tính, webserver, android và chƣơng trình điều khiển Atmega2560 bằng ngôn ngữ C. Sơ đồ khối đƣợc trình bày bên dƣới: 10
13. Hình 0.1:Sơ đồ khối của đồ án *Qui trình làm việc của robot là dựa vào thông tin về vị trí, vận tốc dài, góc nghiêng và vận tốc góc đối tƣợng (robot) phản hồi từ cảm biến MPU6050 và Encoder đƣợc gắn trên robot. 2 giá trị vận tốc góc và góc nghiêngđƣợc đƣa vào bộ lọc (Thông thấp, thông cao, bổ phụ, Kalman, ) xử lý lọc nhiễu. 4 tín hiệu đầu vào sẽ đƣợc đƣa vào bộ điều khiển (PID, LQR, ) để xuất tín hiệuđiều khiển robot. 11
14. Chƣơng 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1. Đối tƣợng nghiên cứu: Cùng với phát triển của khoa học kỹ thuật, ngày nay robot có khả năng thay thế con ngƣời làm việc trong môi trƣờng độc hại, trong sản xuất hoặc phụ vụ con ngƣời về nhu cầu giải trí Nhờ vào sự phát triển liên tục của công nghệ, robot đã và đang đƣợc chế tạo để phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau.Đối với những xeba bánh trở lên việc tự giữ thăng bằng là một việc gì đó hiển nhiên. Còn đối với các xehai bánh nhƣ xe đạp thì viêc tự giữ thăng bằng là hết sức khó khăn ngay cả khi đang hoạt động nhƣng không điều chỉnh trọng tâm sao cho phù hợp thì xe sẽ mất thăng bằng ngay lập tức. Nguyên lý giữ thăng bằng của robot hai bánh cũng tƣơng tự nhƣ cách mà con lắc ngƣợc giữ thăng bằng. Hình 1.1: Nguyên lý hoạt động của robot 2 bánh tự cân bằng Để giữ đƣợc thăng bằng thì trọng tâm của robot phải luôn nằm giữa hai bánh và nằm trên đƣờng thẳng vuông góc với trục nối hai bánh xe và mặt sàn. Nếu thân robot nghiêng về trƣớc thì hai bánh xe cũng chuyển động về trƣớc nhằm cho góc lệch bằng 0,khi đó robot sẽ giữ đƣợc thăng bằng,ngƣợc lại nếu thân robot nghiêng về sau thì hai bánh xe chuyển động ra sau. Để dừng lại thì chỉ cần cho trọng tâm robot di chuyển ngƣợc hƣớng đang di chuyển thì tốc độ sẽ giảm dần. 12
15. Hình 1.2: Robot lúc cân bằngva di chuyển về phía trƣớc Hình 1.3: Khi robot xuống dốc (bên trái) thân robot nghiêng về sau để giảm vận tốc và giữ thăng bằng; robot lên dốc (bên phải) thân robot nghiêng với góc nghiêng lớn hơn góc nghiêng của dốc. 13
16. Vì robot luôn tự điều chỉnh sao cho luôn ở trạng thái cân bằng nên sẽ không có hiện tƣợng bị lật. Do đó robot sẽ thuận lợi hơn khi di chuyển các địa hình không bằng phẳng hơn các robot 3 hay 4 bánh. 2. Khả năng ứng dụng: -Có khả năng phát triển thành một phƣơng tiện vận chuyển mới giúp di chuyển tại các nơi có không gian chật hẹp hay giúp trẻ em hay ngƣời lớn tuổi có thể đi lại một cách bình thƣờng. - Giúp vận chuyển hàng hóa,tài liệu,sản phẩm trong các công ty,nhà máy,nhà kho, đến những nơi đã đƣợc lập trình sẵn. - Thay thế con ngƣời khảo sát,thu thập thông tin, tại những nơi nguy hiểm nhƣ: nơi bị nhiểm phóng xạ,nhà máy bị rò rỉ khí ga, . - Làm các phƣơng tiện di chuyển trong các khu du lịch, resort, sân golf, 3. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc: 3.1. Trong nƣớc Hiện nay vẫn chƣa có thông tin cụ thể nào về robot hai bánh tại Việt nam.Chỉ có một số ít là những mô hình do các sinh vên tại các trƣờng đại học,cao đẳng, hay một số nghiên cứu của một số cá nhân. Hình1.4: Mô hình robot hai bánh tự cân bằng luận văn thạc sĩ của tác giả Nguyễn Gia Minh Thảo, trƣờng Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh. 3.2. Ngoài nƣớc Robot 2 bánh tự cân bằng ở một số nƣớc đã phá triển mạnh mẽ và đƣợc biến tấu thành nhiều loại khác nhau.Ở một số nƣớc có nền công nghệ phát triển nhƣ: Nhật Bản,Hàn Quốc,Mỹ, việc chế tạo robot 2 bánh tự cân bằng đã trở thành một ngành công nghiệp sản xuất các robot 2 bánh tự cân bằng với nhiều hình dáng khác nhau, phục vụ cho đời sống con ngƣời nhƣ: robot tiếp tân, robot phục vụ, . 14
17. Hình 1.5: Robot Nhật Bản EMIEW 2 Hình 1.6: Automated Music Personality của Hitachi của Ologic 15
18. Chƣơng 2: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ 1. Mục đích đề tài: Xuất phát từ thực tiễn đã nêu, đồ án đƣợc thực hiện với những mục đích chính sau: - Đối với nhóm sinh viên, đồ án là bƣớc đầu tìm hiểu, thi công sản phẩm ứng dụng lý thuyết điều khiển tự động trong thực tế, đồng thời cũng là bƣớc triển khai những kiến thức đã đƣợc học. Thông qua việc nghiên cứu và làm việc nghiêm túc để rèn luyện tác phong, tinh thần khoa học, cũng nhƣ hoàn thiện phƣơng pháp, tƣ duy nghiên cứu, giải quyết một vấn đề thực tiễn. Quan trọng hơn, đồ án còn là bƣớc “tổng kết và hoàn thiện” những kỹ năng còn thiếu sót trƣớc khi thực sự trở thành ngƣời kỹ sƣ. - Về mặt ứng dụng thực tiễn, đồ án có thể sử dụng nhƣ mô hình trợ giúp việc giảng dạy và học tập môn điều khiển tự động, điều khiển quá trình, vi điều khiển, Là tiền đề cho việc xây dựng mô hình xe hai bánh tự cân bằng di chuyển trên địa hình phẳng. 2. Giới hạn đề tài: Đề tài tập trung vào việc xây dựng các mô hình thuật toán điều khiển robot hai bánh tự cân bằng bằng phƣơng pháp PID(Proportional Integral Derivative) và LQR (Linear- quadratic-regulator). Các giải thuật lọc tín hiệu cảm biến nhƣ bộ lộc bổ phụ, bộ lọc kalman. Đồng thời thiết kế chế tạo mô hình thực tế robot có khả năng giữ cân bằng và di chuyển linh hoạt trên địa hình phẳng. 3. Phƣơng pháp nghiên cứu: 3.1. Phƣơng pháp nghiên cứu chung: Xuất phát từ thực tế và mục đích nghiên cứu nêu trên, phƣơng pháp nghiên cứu đề tài đƣợc chọn lựa phù hợp nhất . - Thu thập tài liệu trong và ngoài nƣớc để tìm hiểu cơ sở lý thuyết. - Nghiên cứu ứng dụng các linh kiện hiện có để thực hiện mô hình. - Thi công robot bằng các công cụ thủ công, thực nghiệm. 3.2. Lựa chọn phƣơng án thực hiện: 3.2.1. Thu thập và xử lý giá trị góc nghiêng, vận tốc góc, quãng đƣờng và vận tốc dài: Có rất nhiều cảm biến và phƣơng pháp thu thập tín hiệu từ cảm biến: 3.2.1.1. Dùng cảm biến MPU6050 để đọc giá trị góc nghiêng và vận tốc góc: - MPU-6050là một trong những giải pháp cảm biến chuyển động đầu tiên trên thế giới có tới 6 trục (mở rộng tới 9) cảm biến tích hợp trong 1 chip duy nhất.MPU-6050 tích hợp 6 trục cảm biến bao gồm:con quay hồi chuyển 3 trục (3-axis MEMS gyroscope) 16
19. vàcảm biến gia tốc 3 chiều (3-axis MEMS accelerometer). MPU6050 là cảm biến rất thông dụng trên thị trƣờng hiện nay. Chi phí thấp nên thích hợp trong việc nghiên cứu và thực hiện đồ án. 3.2.1.2. Dùng cảm biến Encoder để đọc giá trị vị trí và vận tốc dài: - Đây là loại cảm biến đƣợc dùng nhiều trong điều khiển vị trí và tốc độ của động cơ. Ƣu điểm là chính xác và dễ sử dụng. Nhƣợc điểm là giá thành cao tùy thuộc vào độ chính xác của encoder. 3.2.2. Lựa chọn bộ lọc cho cảm biến gia tốc và vận tốc góc: Cả 2 cảm biến đo góc và vận tốc góc trong MPU6050 đều có những ƣu nhƣợc điểm riêng. Do đó một yêu cầu là làm sao có thể kết hợp ƣu điểm của cả 2 phƣơng pháp trên hoặc là giảm bỏ khuyết điểm của 2 phƣơng pháp. Ta sử dụng các bô lọc trung bình, lọc bổ phụ thông tần complementary, bộ lọc thích nghi- lọc kalman và các bộ lọc khác. 3.2.3. Thiết kế bộ điều khiển cho robot: Nhƣ đã giới thiệu việc nghiên cứu robot tự cân bằng là sự xem xét sự phù hợp của 2 bộ điều khiển PID và LQR. Do đó PID và LQR sẽ là 2 bộ điều khiển đƣợc nhóm sử dụng trong mô hình này nhằm đánh giá cũng nhƣ so sánh chất lƣợng. 3.2.3.1 Vi mạch điều khiển robot: Trong quá trình học tập ở trƣờng, nhóm thực hiện đã đƣợc học tập và thực hành với các vi điều khiển PIC quen thuộc. Do đó trong đồ án này nhóm muốn nghiên cứu sử dụng chip mới là mega2560 trong board Arduino với mã nguồn mở đang rất đƣợc ƣu chuộng hiện nay. Giao tiếp với khối công suất để điều khiển động cơ dc. Vi mạch L298 gồm 4 ngõ vào input điều khiển 2 động cơ. Giao tiếp với máy tính để nhận lệnh hiệu chỉnh vị trí cho robot thông qua chuẩn RS232, vi điều khiển phải hỗ trợ bộ truyền nhận nối tiếp có tốc độ baud cao. Sử dụng module usb wifi không dây để điều khiển robot bằng smartphone thông qua phần mềm trên android và webserver. Hỗ trợ nạp chƣơng trình “on chip” thông qua chuẩn SPI Từ những yêu cầu trên nên vi điều khiển họ AVR Atmega2560 đƣợc chọn làm MCU cho mạch điều khiển robot. 3.2.4. Kết cấu cơ khí của robot: Robot đƣợc thiết kế nhỏ gọn và đơn giản với mục tiêu đặt ra là một mô hình để ứng dụng thuật toán điều khiển và bộ lọc. Mô hình robot gồm 2 bánh với hai bánh chủ động nằm phía dƣới thân robot. Trọng tâm của robot phải luôn nằm giữa hai bánh và nằm trên đƣờng thẳng vuông góc với trục nối hai bánh xe và mặt sàn. 17
20. Hình 2.1:Mô hình của Robot 3.2.5. Lựa chọn nguồn nuôi cho robot: Yêu cầu của đồán là thiết kế một Robot hai bánh tự cân bằng nhỏ gọn, phù hợp với việc nghiên cứu, do đó phƣơng án cung cấp năng lƣợng hoạt động cho robot cũng phải đƣợc cân nhắc lựa chọn: Sử dụng Adapter: dòng cung cấp cao nhƣng phải đi dây vào robot, làm giảm đáng kể tính di động của robot Sử dụng pin có thể sạc lại: gọn nhẹ có thể bỏ gọn vào trong thân robot tuy nhiên nhƣợc điểm là dòng hơi thấp. Nhóm thực hiện đã chọn phƣơng án sử dụng 4 cell của pin laptop nối tiếp với nhau để tạo điện áp 12V và có dòng 2200mA. Đây là phƣơng án khả thi bởi lẽ đáp ứng tốt về mặt gọn nhẹ, dòng cung cấp đủ cho robot và đảm bảo mặt kinh tế, có thể dễ dàng tìm mua trong nƣớc. 18
21. Chƣơng3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1. Mô hình hóa robot hai bánh tự cân bằng Mô hình hệ thống của robot 2 bánh tự cân bằng đƣợc phân tích ở hình y y y 퐹 푠 휃 푊퐿 L 퐿 퐿 푊푅 푊퐿 푅 푅 훿 푠 Z D 퐿 푊푅 푅 푊 19
22. S K L 0 0 2 1 5 4