Luận văn Ðiều khiển xe hai bánh tự cân bằng (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Ðiều khiển xe hai bánh tự cân bằng (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ÐIỆN – ÐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN- ĐIỆN TỬ ÐIỀU KHIỂN XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG GVHD: THS. NGUYỄN VĂN ĐÔNG HẢI SVTH: BÙI TRUNG DÂN MSSV: 10101012 SVTH: PHẠM QUỐC VIỆT MSSV: 10101172 SKL003041 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2014
2. BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ-CÔNG NGHIỆP ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG GVHD: Ths.Nguyễn Văn Đông Hải SVTH: Bùi Trung Dân MSSV: 10101012 SVTH: Phạm Quốc Việt MSSV: 10101172 Tp. Hồ Chí Minh - 7/2014
3. BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ-CÔNG NGHIỆP ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG GVHD: Ths. Nguyễn Văn Đông Hải SVTH: Bùi Trung Dân MSSV: 10101012 SVTH: Phạm Quốc Việt MSSV: 10101172 Tp. HồChí Minh - 7/2014
4. PHẦN I
5. TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TP. HỒ CHÍ MINH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ Tp. HCM, ngày 27 tháng 6 năm 2014 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Bùi Trung Dân MSSV: 10101012 Phạm Quốc Việt MSSV: 10101172 Chuyên ngành: Kỹ thuậtĐiện - Điện tử Mã ngành: 01 Hệđào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1 Khóa: 2010 Lớp: 101011 I. TÊNĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG II. NHIỆM VỤ 1. Các số liệu ban đầu: 2. Nội dung thực hiện: III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 27/02/2014 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 01/07/2014 V. HỌ VÀ TÊNCÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Ths. Nguyễn Văn Đông Hải CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP Ths. Nguyễn Văn Đông Hải TS . NGUYỄN THANH HẢ I ii
6. TRƢỜNG ĐẠI HỌC SPKT TPHCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Khoa Điện - Điện Tử Độc lập - Tự do - Hạnh phúc Bộ Môn Điện Tử Công Nghiệp Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2014 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: BÙI TRUNG DÂN Lớp:101011 MSSV:10101012 Họ tên sinh viên 2: PHẠM QUỐC VIỆT Lớp:101011 MSSV:10101172 Tên đề tài: ĐIỀU KHIỂN XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG Tuần/ngày Nội dung Xác nhận GVHD Tìm hiểu hoạt động robot. Lập bản đề 1-2 (27/02 –13/03) xuất đề tài. 3 (14/03 – 21/03) Đưa ra các ý tưởng thiết kế. 4 (22/03 – 29/03) Thực hiện thiết kế cơ khí. 5-6 (30/03 – 13/04) Thiết kế phần mạch điều khiển. Chờ đặt mạch in, gia công các chi tiết cơ 7-8 (14/04 – 28/04) khí. Nghiên cứu giải thuật điều khiển. 9 (29/04 – 6/05) Lắp ráp, kiểm tra và hiệu chỉnh robot. 10 –trở đi Lập trình cho robot. Viết báo cáo. GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên) Ths. Nguyễn Văn Đông Hải iii
7. LỜI MỞ ĐẦU Con người với trí tưởng tượng và ước mơ về cỗ máy hoạt động giống người (hay còn gọi là robot) đã xuất hiện khá lâu. Các mốc thời gian đánh dấu con đường phát triển của ngành khoa học robot này là khoảng thế kỉ thứ III trước công nguyên một “kỹ sư cơ khí” tên là Yan Shi đã đưa ra một công trình cơ khí có hình dạng giống người. Và tiếp theo sau đó là một loạt các ý tưởng robot khác như robot chim làm bằng gỗ được phóng đi dựa vào hơi nước. Đến những năm 1930, một robot có tên là Elextro có hình dạng giống người được triễn lãm tại hội chợ thế giới. Vào năm 1975 một “cánh tay robot vạn năng có thể lập trình được” có tên gọi là PUMA của hãng Unimation nhà phát minh Victor Scheinman đánh dấu bước phát triển của các thế hệ robot thông minh sau này. Ngày nay nền khoa học phát triển mạnh mẽ với các ngành ngành khoa học kỹ thuật như điện-điện tử, tự động, cơ khí, khoa học máy tính, .Con người chế tạo được các robot không chỉ tốt về mặt cấu tạo không chỉ hoạt động theo các điều kiện phản xạ hay các quỹ đạo định trước mà còn có thể phản ứng lại một cách linh hoạt để trả lời điều kiện đó. Sự phát triển này nhờ vào khoa học máy tính, con người đang hướng tới xây dựng một “trí tuệ nhân tạo” cho robot.Gần đây nhất, một robot tên gọi kirobo có thể nhận diện khuôn mặt giọng nói cảm xúc của người trò chuyện và đối thoại khá linh hoạt. Trong nền sản xuất hiện đại, nhu cầu sử dụng các loại hàng hóa của con người ngày càng cao, để tạo ra số lượng lớn các sản phẩm có giá cả hợp lý, chất lượng tốt và đồng đều. Do đó mà robot được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy dây chuyền sản xuất tự động. Ngoài ra robot đảm nhiệm các công việc nặng nhọc nguy hiểm ngoài khả năng chịu đựng của con người như thám hiểm ngoài không gian hay lặn sâu vào trong lòng đại dương. Và phải kể đến các robot thân thiện với con người như robot hút bụi, giám sát an ninh, giúp đỡ các người khuyết tật hay hỗ trợ phục hồi chức năng cho các người bị tai nạn và còn rất nhiều các ứng dụng khác nữa. Viêc chế tạo các robot giống người về mặt cấu tạo và có khả năng suy nghĩ luôn là ước mơ và cũng là thử thách đối với các nhà khoa học trên toàn thế giới, được các công ty như Nhật, Châu Âu, Mỹ đầu tư nghiên cứu và phát triển. Xuất phát từ những cơ hội để phát triển và lòng đam mê robot trong khóa luận tốt nghiệp của mình em chọn đề tài “Robot hai bánh tự cân bằng”. Người thực hiện đề tài PhạmQuốc Việt Bùi Trung Dân iv
8. LỜI CẢM ƠN Em xin gởi lời cảm ơn đến quý thầy cô Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM đã truyền đạt cho em kiến thức, kinh nghiệm trong quá trình học tập tại trường. Em trân trọng gởi lời cảm ơn quý Thầy Cô Khoa Điê ̣ n - Điện tử đã truyền đạt cho em kiến thức vô cùng quý báu, cũng như tạo điều kiện cho em trao dồi kiến thứ c tại trường. Em xin gởi lời cảm ơn chân thành đến thầy Nguyễn Văn Đông Hải đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ và truyền đạt kiến thức kinh nghiệm thực tế để em có thể hoàn thành đề tài này. Con xin cảm ơn ba mẹ, gia đình đã tạo điều kiện tốt nhất, động viên con trong suốt thời gian dài, giúp con vượt qua những khó khăn, biến cố để con an tâm học tập. Lời cảm ơn cuối cùng tôi xin cảm ơn tất cả các bạn đã cùng tôi gắn bó giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập tại trường. Người thực hiện đề tài Phạm Quốc Việt Bùi Trung Dân v
9. MỤC LỤC NỘI DUNG TRANG PHẦN A: GIỚI THIỆU Trang bìa i Nhiệm vụ đồ án ii Lời mở đầu iv Lời cảm ơn v Mục lục vi Liệt kê hình vẽ viii Liệt kê bảng x PHẦN B: NỘI DUNG Chƣơng 1 Tổng Quan 1.1. Đặt vấn đề 1 1.2. Mục tiêu đề tài 2 1.3. Giới hạn đề tài 2 1.4. Phương pháp nghiên cứu 3 1.5. Nội dung của đề tài 3 Chƣơng 2 Cơ Sở Lý thuyết 2.1. Giới thiệu 4 2.2. Phương trình động lực học của hệ robot hai bánh tự cân bằng 4 2.2.1. Mô hình toán 4 2.2.2. Nhận xét 9 2.3. Thuật toán điều khiển PID 10 2.3.1. Sơ lược thuật toán điều khiển 10 2.3.2. Các phương pháp chỉnh định các thông số PID 11 2.4. Tổng kết chương hai 12 Chƣơng 3 Thiết Kế Hệ Thống 3.1. Giới thiêụ 13 3.2. Chi tiết thiết kế phần cơ khí của robot hai bánh tự cân bằng 13 3.2.1. Yêu cầu 13 3.2.2. Chi tiết thiết kế các thành phần cơ khí 13 3.3. Chi tiết thiết kế phần điện của robot 21 3.3.1. Chi tiết thiết kế phần điện 21 3.3.1.1. Khối mạch điều khiển trung tâm 22 3.3.1.2. Khối cảm biến đo góc nghiêng 24 3.3.1.3. Khối giao tiếp Bluetooth 26 3.3.1.4. Khối mạch điều khiển động cơ 28 vi
10. 3.3.1.5. Khối nguồn cho vi điều khiển 29 Chƣơng 4 Thuật Toán Điều Khiển 4.1. Giới thiệu 31 4.2. Thuật toán điều khiển cho toàn robot 31 4.2.1. Giải thuật chương trình chính 31 4.2.2. Giải thuật nhận dữ liệu từ điện thoại 32 4.2.3. Giải thuật bộ điều khiển cân bằng 33 4.3. Chương trình ứng dụng điều khiển robot trên điện thoại 35 Chƣơng 5 Kết Quả 5.1. Kết quả phần cứng 36 5.2. Kết quả phần mềm ứng dụng điều khiển robot trên điện thoại 37 Chƣơng 6 Kết luận và hƣớng phát triển 6.1. Kết quả đạt được 38 6.2. Hướng phát triển 38 Tài liệu tham khảo 39 Phụ lục 40 vii
11. Liệt Kê Hình Vẽ Hình 1.1 Robot nhạc công 1 Hình 1.2 Xe lăn hai bánh 1 Hình 1.3 Xe hai bánh Segway 1 Hình 1.4 Minh họa robot hai bánh di chuyển trên địa hình phẳng hay dốc 2 Hình 2.1 Ảnh phân tích lực trong chuyển động tịnh tuyến của bánh phải. 5 Hình 2.2 Phân tính chuyển động quay của bánh phải 6 Hình 2.3 Phân tích lực tại thân robot 8 Hình 2.4 Sơ đồ bộ điều khiển PID cơ bản 10 Hình 2.5 Bộ PID với Ki thay đổi 11 Hình 2.6 Bộ PID với Kd thay đổi 11 Hình 2.7 Minh họa phương pháp cân bằng robot hai bánh 12 Hình 3.1 Tổng quan thiết kế Robot hai bánh tự cân bằng 13 Hình 3.2 Bánh răng to 14 Hình 3.3 Chi tiết bánh răng nhỏ 15 Hình 3.4 Bánh răng trung gian 15 Hình 3.5 Bánh của robot 16 Hình 3.6 Lốp của bánh robot 16 Hình 3.7 Khung ngoài của thân robot 17 Hình 3.8 Khung trong của thân robot 17 Hình 3.9 Trụ kết nối khung 18 Hình 3.10 Thanh xương kết nối thân robot 18 Hình 3.11 Sơ đồ động lực của bộ phận bánh xe 18 Hình 3.12 Phân tích lực hệ bánh rang robot 19 Hình 3.13 Phân tích tổng lực tác dụng 19 Hình 3.14 Phân tích lực của hệ trên mặt phẳng nghiêng 20 Hình 3.15 Ảnh Robot sau khi lắp ghép 21 Hình 3.16 Tổng quan về bo mạch điều khiển 22 Hình 3.17 Bo mạch Arduino UNO 23 Hình 3.18 Sơ đồ mạch board Arduino UNO 23 Hình 3.19 Hình ảnh minh họa cảm biến dung công nghệ MEMS 25 Hình 3.20 Module cảm biến đo góc 25 Hình 3.21 Sơ đồ kết nối cảm biến với mạch chính 26 Hình 3.22 Module Bluetooth 27 Hình 3.23 Sơ đồ kết nối module Bluetooth với vi điều khiển 28 Hình 3.24 Mạch điều khiển động cơ 29 Hình 3.25 Sơ đồ kết nối mạch công suất với vi điều khiển 29 Hình 3.26 Sơ đồ mạch nguồn chính 5V 30 Hình 4.1 Lưu đồ giải thuật chính của robot hai bánh 32 Hình 4.2 Định dạng dữ liệu truyền nhận với trình điều khiển 33 viii
12. Hình 4.3 Lưu đồ giải thuật bộ PID 34 Hình 4.4 Sơ đồ bộ điều khiển 34 Hình 4.5 Giao diện điều khiển trên điện thoại android 35 Hình 5.1 Ảnh bo mạch điều khiển chính trước khi lắp ghép 36 Hình 5.2 Ảnh bo mạch công suất điều khiển động cơ 36 Hình 5.3 Robot sau khi được lắp ghép hoàn chỉnh 37 ix
13. Liệt Kê Bảng Bảng 2.1. Ý nghĩa của tham số 7 Bảng 2.2. Các ký hiệu toán học trong mô hình thân robot 8 Bảng 2.3. Phương pháp Ziegler-Nichols 12 Bảng 3.1. Thông số phần khung cơ khí 21 Bảng 3.2. Yêu cầu I/O của khối mạch chính 22 Bảng 3.3. Chức năng các khối chân bo mạch Arduino UNO 24 Bảng 3.4. Thông số kỹ thuật bo Arduino UNO 24 Bảng 3.5. Các thông số cảm biến MPU-6050 26 Bảng 3.6. Ý nghĩa các chân cảm biến MPU-6050 26 Bảng 3.7. Thông số kỹ thuật module Bluetooth 27 Bảng 3.8. Ý nghĩa các chân module HC05 27 Bảng 3.9. Thông số dòng và áp yêu cầu thiết kế 29 Bảng 4.1. Mô tả ký tự bắt đầu của dữ liệu điều khiển 33 Bảng 5.1. Thông số robot sau khi chế tạo 37 x
14. ĐIỀU KHIỂN XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG 2014 Chương 1 TổngQuan 1.1. Đặtvấnđề Trênthếgiớinhữngsảnphẩmứngdụng robot haibánhcórấtnhiều,vớikhảnăng di chuyểnlinhhoạttrongnhữngkhônggiannhỏ.Mộtsốcácsảnphẩmngoàinướcnhư: - Sảnphẩmcủahãng Toyota (hình 1.1)vớitêngọi “DJ robot” làmộtnhạccôngtronggiànnhạcvớiphần di chuyểntrênhaibánhxe. - Chiếcxelăn (hình 1.2)cóthể di chuyểnbằnghaibánhgiúpíchchongườisửdụngcóthểnângchiềucaođểlấyđồvật. Mộtphiênbảnnữacókhảnăngleolêncácbậcthangcủacầuthang. - Xehaibánh Segway (hình 1.3) phươngtiện di chuyểnđộcđáodùngtrongvănphòng, thưviện, nhàkho, hoặccácnhânviênbảovệ hay cảnhsátđituần. Hình 1.1 Robot nhạccông Hình 1.2 Xelănhaibánh Hình 1.3 Xehaibánh Segway Robot di chuyểntrênhaibánhđemlạichongườisửdụngcảmgiácthúvị,muốntrảinghiệmthử, hay làmộtmónđồchơicôngnghệ. Đâycóthểlàphươngtiện di chuyểntrongtươnglaiphụcvụtrêncácquãngđườngngắn, ngoàiraphươngtiệnsửdụngacquy hay nănglượngmặttrờinênthânthiệnvớimôitrường. So vớicácthiếtkếtruyềnthốngba hay bốnbánhthìthiếtkếhaibánhđơngiảnvànhỏgọnhơnđemlạicho ta cảmgiácnhưđang di chuyểntrênđôichâncủamìnhhơnlàđangcưỡimộtchiếcxe. TỔNG QUAN 1
15. ĐIỀU KHIỂN XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG 2014 Một robotđượcthiếtkế di chuyểntrênba hay bốnbánhthìcónhiềucáchbốtrícácbánh ở cácvịtríkhácnhautuynhiêntaluônđảmbảochochúngnằmtrênmộtmặtphẳng di chuyểnnếukhôngsẽbịlậtđổkhi di chuyểntrênmặtnghiêngvàbịxoaytrònnếumặtphẳngngang. Điềunàyđượckhắcphụcvớithiếtkếhaibánhvìhaibánhsẽluônnằmtrênmặtphẳng.Khi robot haibánh di chuyểntrênmặtphẳngnghiêng ta điềuchỉnhphầnnghiêngvềtrước (leolên) hoặcrasau (leoxuống) để robot đạtcânbằngminh họatrênhình 1.4 Hình 1.4 Minh họa robot haibánh di chuyểntrênđịahìnhphẳng hay dốc Việclinhhoạttrongchuyểnhướngở nhữngnơicókhônggianhẹpcũnglàưuthế to lớn, điểmhạnchếcủathiếtkếnàylàtốcđộ di chuyểnchưacao.Nhưvậymộtvàihạnchế so vớinhiềutiệníchmàthiếtkếhaibánhđemlại,thìđềtài “ robot haibánhcânbằng” cónhiềuứngdụngtrongthựctếđờisốngvàlàmnềntảngchocácứngdụngkhácvềcânbằng. 1.2. Mụctiêuđềtài Mụctiêucủađềtàilàthiếtkế, thicôngvàđiềukhiển robot haibánhtựcânbằng. Robot đượcthiếtkếthỏacácyêucầu: - Di chuyểnthông quaviệcđiềukhiểntừxa (côngnghệkhôngdâybluetooth), thựchiệntriênđiệnthoạivớihệđiềuhành Android. - Di chuyểnđịacóđộdốc. 1.3. Giớihạncủađềtài Đểtrởthànhsảnphẩmthươngmạicầncóhướngpháttriểnthêmvàtùyvàocácứngdụngk hácnhau.Đềtàiápdụngthuậttoánđiềukhiển PID việckhảosáthay so sánhvớicácbộđiềukhiểnkháckhôngđượcđềcậpđến. Trongđềtàichỉứngdụngthuậttoánđiềukhiển PID cácthôngsốđượcngườilậptrìnhcàiđặtsaochotốiưunhưđápứngvềmặtthờigianvớiđộvọtlốlà nhỏnhất.Robot cóthểtựthíchghibằngcáchtựhọcvàđiềuchỉnhcácthôngsố PID saochophùhợpvớicácmôitrườngkhácnhaulànằmngoàiphạmvicủađềtài.Phầnmềmđiềukhi ểnchỉchạytrênhệđiềuhànhAndroid. TỔNG QUAN 2
16. ĐIỀU KHIỂN XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG 2014 1.4. Phươngphápnghiêncứu Bảnthânhệlàkhôngổnđịnhnênquátrìnhđiềukhiểngặpkhókhănkhikếthợpổnđịnhcảb ayếutố(vịtrí, vậntốc, góc quay)gầnnhưcùngmộtthờiđiểm.Quátrìnhnghiêncứuđểthựchiệnđềtàitómtắt qua cácbướcsau: Bước 1:Tìmhiểuđánhgiákhảnăngứngdụngđềtàitrongcuộcsống. Tìmhiểucácsảnphẩm hay cácứngdụngcótrênthựctế, tínhkhảthivàpháttriểntươnglai. Bước 2:Tìmhiểucácmôhìnhvàphươngphápđiềukhiểntrêncáctrang web trongvàngoàinước. Bước 3:Thiếtkếcơkhí. Bước 4:Thiếtkếphầnđiệncácbomạchsửdụngcác module cósẵn. Mạchcôngsuấtsửdụng IC chuyênđiềukhiểnđộngcơ LM298, bo Bluetooth sửdụng HC- 05. Bước 5:Hiệnthựcgiảithuậtbằnglặptrình (xâydựngkhốiđiềukhiển, đưatínhiệuđiềukhiểnvào robot). Bước 6:Kiểmtravàsữalỗi. 1.5. Nội dung củađềtài Chương 1 Tổngquan:Giớithiệutổngquan robot haibánhcânbằng, giớithiệumộtsốcácứngdụngthựctế, ưukhuyếtđiểmcủathiếtkế robot haibánh. Chương 2Cơsởlýthuyết: Trìnhbàymôhìnhtoáncủa robot haibánhtựcânbằng,cáchthứcđiềukhiển, giảithuậtđiềukhiển, phươngphápđiềukhiển PID. Chương 3 Thiếtkếhệthống:Trìnhbàythiếtkếrobot haibánhtựcânbằng, chi tiếtthiếtkếphầncơkhí, phầnđiệncho robot. Chương 4 Thuậttoánđiềukhiển: Hiệnthựchóamôhìnhđiềukhiểnvàovixửlý. Chươngsẽtrìnhbàycáclưuđồgiảithuậtcủabộđiềukhiểncânbằng. Chương5Kếtquả:Trìnhbàykếtquảsaukhithựchiệngồmhaiphần: thiếtkếcơkhí, phầnđiệncácthôngsốthửnghiệmtrênthựctếsaukhichếtạothànhcông. Chương6Kếtluận:Trìnhbàyưukhuyếtđiểmvàhướngpháttriểncủađềtài. TỔNG QUAN 3
17. ĐIỀU KHIỂN XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG 2014 Chương 2 Cơ Sở Lý Thuyết 2.1.Giới thiệu Chương hai sẽ trình bày các kiến thức quan trọng để làm cơ sở cho các phương pháp điều khiển ở các chương ba, bốn.Chương này gồm các mục chính như sau: - Khảo sát tìm ra phương trình toán của robot để tìm mối quan hệ giữa góc quay, vận tốc, vị trí lên đáp ứng ngõ ra của hệ robot, theo các tài liệu tham khảo ta có thể dùng các phương pháp phân tích dựa vào định luật của Newton hay phương pháp dựa vào Euler- Lagrange, trong đề tài này phương pháp phân tích dựa vào các định luật của Newton được áp dụng. - Phần tiếp theochương sẽgiới thiệu phương pháp điều khiển PID và các phương pháp chỉnh định các hệ số P,I,D trong bộ điều khiển. 2.2. Phương trình động lực học của hệ robot hai bánh tự cân bằng 2.2.1.Mô hình toán “Robot hai bánh tự cân bằng” về mặt cơ khí cấu tạo gồm các thành phần chính: hai động cơ truyền động cho hai bánh của robot và phần cuối cùng là thân sẽ lắp ghép và nâng đỡ toàn bộ robot.Vì vậy việc khảo sát động lực học của hệ robot chính là khảo sát đặc tính động cơ, chuyển động của bánh và thân của robot. Theo tài liệu tham khảo [4]xây dựng mô hình toán của hệ ta tiến hành các bước như sau: - Bước 1: Khảo sát đặc tính của động cơ Mục tiêu chính của động cơ là sinh ra moment xoắn để chống lại sự mất cân bằng của robot. Moment sinh ra do dòng điện i đi qua cuộn dây của phần ứng tạo thành và xác định bằng công thức (2.1). C f i km i , ( km  ) (2.1) Với: C moment quay của động cơ (Nm) hệ số phụ thuộc vào loại động cơ CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4
18. ĐIỀU KHIỂN XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG 2014  Từ thông của động cơ (Wb) km hằng số moment (Nm/A) Từ (2.1) suy ra phương trình moment của động cơ trái phải của robot (L, R ký hiệu trái và phải). C k. i L mL L (2.2) CR k mR. i R - Bước 2: Khảo sát đặc tính chuyển động quay của bánh xe Hình 2.1 Chỉ ra các lực tác dụng lên bánh phải trong chuyển động tịnh tuyến.Áp dụng định luật 2 Newton ta có công thức sau.  Fx Mx (2.3) Suy ra HtR H R f drR Mw R x R (2.4) Với HtR lực mát giữ bánh và mặt phẳng di chuyển (N) H R phản lực thân tác dụng lên bánh phải (N) VR lực tác dụng theo phương y lên bánh phải (N) fdrR lực tại tâm của của bánh phải (N) M wR khối lượng bánh phải (kg) xR tọa độ bánh phải theo phương x (m) Hình 2.1 Ảnh phân tích lực trong chuyển động tịnh tuyến của bánh phải Tương tự (2.3) ta có thể suy ra phương trình cho bánh trái. HtL H L f drL Mw L x L (2.5) CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5
19. ĐIỀU KHIỂN XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG 2014 Hình 2.2 Phân tích chuyển động quay của bánh phải Hình 2.2 Mô tả chuyển động quay của bánh phải từ đây ta có phương trình. MJ  (2.6)  Suy ra CR H tR. r J w R R (2.7) Với: rbán kính của bánh phải (m) 2 J wR moment quán tính bánh phải (kgm ) R góc quay (rad) Từ (2.7) ta suy ra phương trình cho bánh trái.  CL H tL. r J wL L (2.8) Thế(2.2)vào (2.7) ta được.  kmR. i R H tR r J w R R (2.9) Từ (2.9) suy ra lực ma sát tác dụng lên bánh phải. KJ Hi mRw R  (2.10) tRrr R R Thế (2.10) vào (2.4) ta được. KJ M x mR i w R  H f (2.11) wR Rrr R R R drR Ta có công thức liên hệ x vr . hay x=r  suy ra   = (2.12) r CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6
20. ĐIỀU KHIỂN XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG 2014 Thế (2.12) vào (2.11) ta có JkwR mR MwR  x R i H R f drR (2.13) rrR Suy ra kJmR w R HR i Mw R  x R f drR (2.14) rrR Tương tự ta H L phản lực của thân tác dụng lên bánh trái kJmL wL HL i L MwL  x L f drL (2.15) rr KKKmR mL m Nếu xét MMMwRL w w và xLRR  x, x x thì (2.14) và (2.15)đượcrút gọn: JJJwRL w w kJm w HR i Mw  x f drR (2.16) rrR kJm w HL i Mw  x f drL (2.17) rrL Ý nghĩa của  được miêu tả như bảng 2.1. Bảng 2.1. Ý nghĩa của tham số Giá Trị Ω Ý nghĩa Giải thích 0 Robot dừng xxLR 0 Robot chuyển động tới xx 1 LR hoặc lùi 0<Ω<1 Robot xoay trái xxLR 1<Ω<2 Robot xay phải xxLR CƠ SỞ LÝ THUYẾT 7
21. ĐIỀU KHIỂN XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG 2014 - Bước 3: Khảo sát thân của robot Hình 2.3 Phân tích lực tại thân robot Thân là phần chính của robot, bài toán cân bằng chính là giữ thân đứng thẳng. Ý nghĩa các ký hiệu toán học chú thích bảng 2.2 và một số nằm trong các phương trình toán phần trên sẽ không được giải thích lại. Bảng 2.2. Các ký hiệu toán học trong mô hình thân robot Ký hiệu toán học Ý nghĩa vật lý ɭ (m) Khoảng cách trọng tâm trên trục hai bánh đến tâm của thân robot D(m) Khoảng cách giữ hai bánh x,, y z Tọa độ trọng tâm của thân p p p g (m/s2) Gia tốc trọng trường M Khối lượng quy đổi tai tâm của thân robot p (Kg)   Góc quay thân robot so với trục y,x P , p (rad) Áp dụng định luật Newton tại tâmtheo phương x của robot ta có D JH (H ) (2.18) p L R 2 Thế (2.16), (2.17) vào (2.18) ta được  km D Jw D D  (iL i R ) (Mw )(1  ) x ( f drR f drL ) (2.19) 2Jp r r 2 J p  2 J p  CƠ SỞ LÝ THUYẾT 8
22. S K L 0 0 2 1 5 4