Tài liệu Thiết kế và chế tạo mô hình xe hai bánh tự cân bằng

1 Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Mục tiêu đề tài Xe hai bánh tự cân bằng là một loại phương tiện di chuyển cá nhân thông minh, với hệ thống điều khiển hiện đại, hiện nay đang được sử dụng phổ biến tại một số nước phát triển. Mục tiêu của đề tài là “ thiết kế và chế tạo xe hai bánh tự cân bằng” với các ưu điểm như di chuyển linh hoạt, điều khiển dễ dàng, chiếm ít không gian và không sinh ra khí thải trong quá trình vận hành gây ô nhiễm môi trường, phục vụ cho nhu cầu di chuyển cá nhân tại tại các thành phố lớn, khu thương mại, siêu thị, sân bay, viện bảo tàng…Xe được thiết kế với hai bánh xe đặt song song nhau giúp xe có thể dễ dàng di chuyển trong không gian hẹp mà không gặp trở ngại như các loại phương tiện khác [2]. 1.2 Giới hạn của đề tài Trọng tâm của đề tài là xây dựng giải thuật điều khiển xe di chuyển cân bằng dựa trên thuật toán PID. Xe được thiết kế chủ yếu để di chuyển trên địa hình phẳng, không gồ ghề, mặt đường có độ dốc nhỏ hơn 15o. Tải trọng được thiết kế phù hợp với thể trạng của người Việt Nam không vượt quá 120 kg. 1.3 Phương pháp tiếp cận đề tài Đề tài được tiếp cận dựa trên những phương pháp sau:  Phương pháp khảo sát tài liệu, tìm hểu các tài liệu liên quan đến đề tài như kỹ thuật lập trình vi điều khiển, thuật toán điều khiển PID, bộ lọc Kalman, robot và xe hai bánh tự cân bằng.  Phương pháp khảo sát các mô hình robot tự cân bằng và xe tự cân bằng đã được nghiên cứu trong nước và trên thế giới.  Phương pháp thực nghiệm tiến hành xây dựng mô hình xe, xây dựng thuật toán điều khiển, thử nghiệm trên mô hình thực tế. 2 1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1.4.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 1.4.1.1 Xe Segway Xe hai bánh tự cân bằng được phát triển dựa trên nền tảng robot hai bánh nBot của tác giả David P. Anderson và iBot của Dean Kamen. Trong rất nhiều tác giả thành công trong việc chế tạo xe hai bánh thì hãng Segway ở bang New Hampshire, Hoa Kỳ phát triển mạnh nhất. Segway PT (viết tắt của Segway Personal Transporter – Xe cá nhân Sagway). “Segway” theo tiếng Ý có nghĩa là “di chuyển nhẹ nhàng”. Hiện nay loại xe này được bán rộng rãi trên toàn thế giới. Ở các nước phát triển xe Segway đã trở nên khá thông dụng và gần gũi với mọi người. Ở Mỹ xe còn được trang bị cho lực lượng cảnh sát và quân đội. Không giống như một chiếc xe hơi, Segway chỉ có hai bánh trông giống như một chiếc xe đẩy bằng tay thông thường. Để di chuyển đến trước hay lùi ra sau, người điều khiển đứng trên Segway chỉ việc hơi nghiêng về phía trước hay phía sau. Để rẽ trái hay phải, người điều khiển có thể gạt cần điều khiển sang hướng mình mong muốn [4]. Thông số kỹ thuật của xe: Hình 1.1 Xe Segway 3  Tốc độ cao nhất: 12,5 dặm/giờ (20 km/giờ). Gấp bốn lần tốc độ đi bộ bình thường.  Trọng lượng không tải: 80 lbs (36 kg).  Chiều rộng: không gian bao phủ trên mặt đất của Segway là 19 – 25 inch (48 – 63,5 cm). Segway có chiều rộng gần bằng kích thước của một người trung bình, nên xe không mất nhiều diện tích trên đường.  Bàn đạp dài 8 inch (20 cm).  Tải trọng: người điều khiển nặng 250 pound (110kg) và hàng hóa nặng 75 pound (34kg).  Phạm vi: di chuyển khoảng 17 dặm (28 km) với một lần sạc.  Giao diện hiển chế độ hoạt động: Segway có màn hình LCD cung cấp thông tin về năng lượng, thông báo chế độ hoạt động và tình trạng lỗi nếu xe có sự cố.  Ở Việt Nam xe Segway được bán với giá khoảng 6000 USD. 1.4.1.2 Balancing scooter Xe scooter được Trevor Blackwell chế tạo ra dựa trên những nguyên lý cơ bản như xe Segway. Xe scooter tự cân bằng này được chế tạo từ động cơ xe lăn và pin dùng cho xe mô hình. Các bộ phận được chế tạo theo module có giá thành thấp hơn phân nửa xe của hãng Segway. Xe không cần phần mềm thực thi cao cấp hay phức tạp. Phiên bản đầu tiên được viết bằng ngôn ngữ Python. 4 Hình 1.2 Tác giả Trevor Blackwell và xe scooter 1.4.2 Tình hình nghiên cứu trong nước Chế tạo xe hai bánh tự cân bằng là một đề tài rất hấp dẫn và lôi cuốn nhiều kỹ sư những người đam mê khoa học, công nghệ. Tại Việt Nam cũng có nhiều tác giả thực hiện đề tài đề tài này như luận văn thạc sĩ robot hai bánh tự cân bằng của tác giả Nguyễn Gia Minh Thảo, Dương Hoài Nghĩa, Nguyễn Hữu Phúc trường đại học Bách Khoa Tp.HCM (10/2010). Đề tài này đã thực hiện thành công việc mô phỏng và thực nghiệm robot hai bánh tự cân bằng với bộ điều khiển Backstepping có đáp ứng nhanh, khả năng giữ thăng bằng tốt và khả năng ổn định trước tác động của nhiễu loạn. 5 Hình 1.3 Robot hai bánh tự cân bằng của Nguyễn Gia Minh Thảo. Đề tài robot hai bánh tự cân bằng của tác giả Trà Ti Na và Nguyễn Tấn Hậu trường đại học Lạc Hồng (11/2013). Phương pháp nghiên cứu của nhóm tác giả:  Phương pháp khảo sát tài liệu, tìm hiểu các tài liệu liên quan đến đến đề tài như cấu trúc robot hai bánh tự cân bằng, cảm biến IMU, mạch điều khiển động cơ.  Phương pháp khảo sát các thuật toán lọc nhiễu cho cảm biến IMU như bộ lọc Kalman, bộ lọc Complimentary và thuật toán điều khiển PID.  Phương pháp thực nghiệm tiến hành xây dựng các thuật toán trên mô hình robot hai bánh thực tế. Kết quả đã đạt được:  Thiết kế thành công mô hình Robot.  Hoàn thành hệ thống board mạch điện cho Robot.  Tiến hành thực nghiệm tự cân bằng tốt trên mô hình Robot hoàn chỉnh. Hạn chế của đề tài:  Robot chưa di chuyển được.[Đề tài tốt nghiệp Trà Ti Na và Nguyễn Tấn Hậu] 6 Hình 1.4 Robot hai bánh tự cân bằng của Trà Ti Na & Nguyễn Tấn Hậu. Dựa trên nền tảng của Robot hai bánh tự cân bằng nhiều tác giả đã phát triển thành mô hình xe hai bánh tự cân bằng. Một số đề tài đã thực hiện thành công như xe hai bánh tự cân bằng di chuyển trên địa hình phẳng của tác giả Mai Tuấn Đạt sinh viên trường đại học Bách Khoa Tp.HCM (2005). Hình 1.5 Xe hai bánh tự cân bằng của Mai Tuấn Đạt. 7 Về lý thuyết tác giả đã tiếp cận từ mô hình tương đương – mô hình con lắc ngược đến mô hình thật của xe hai bánh tự cân bằng. Mô phỏng mô hình bằng VN Nastran và MatLAB cho xe tự cân bằng trên hai bánh. Tiếp cận mô hình thực tế, thiết kế khung sườn board mạch điện và lập trình vi điều khiển. Những kết quả đã đạt được của tác giả:  Thiết kế hoàn chỉnh mô hình xe.  Thiết lập mô hình trạng thái và xây dựng thuật toán cho xe.  Xây dựng mô hình mô phỏng bằng Visual Nastran và MatLABSimulink.  Hoàn thành hệ thống mạch điện hoàn chỉnh cho xe hoạt động, vận hành tốt.  Thiết lập moldule lọc Kalman cho cảm biến đo góc.  Mô hình hoàn chỉnh có thể di chuyển trên địa hình phẳng, đường đi thẳng và có thể quẹo với góc rất nhỏ. Những mặt giới hạn của đề tài vẫn còn chưa hoàn thiện được:  Không thiết kế được mạch MOSFET đủ lớn để xe có thề di chuyển nhanh và những bề mặt có độ dốc lớn.  Việc quẹo trái phải của xe chưa tốt còn rất hạn chế làm xe chưa thể lưu thông tốt trên đường.  Khối lượng xe nặng hơn dự kiến cần phải giảm bớt.  Chưa thiết kế cấu trúc khép kín cho xe, nên xe không thể vận hành được khi trời mưa hoặc vượt qua những vũng nước trên đường. Đề tài của tác giả Phan Ngọc Anh Tùng sinh viên trường đại học Bách Khoa Tp.HCM (2011). Với phương pháp khảo sát tìm hiểu kỹ về kết cấu cơ khí, tham khảo tài liệu có liên quan và xác định nhiệm vụ trọng tâm của đề tài là phải nghiên cứu bộ lọc thích nghi Kalman (kết hợp tín hiệu từ cảm biến gyro và accelerometer để tính toán chính xác góc nghiêng) và xây dựng được thuật toán điều khiển giữ xe cân bằng. 8 Điểm nổi của đề tài gặt hái được những thành công bước đầu về điều khiển cân bằng và xe có thể di chuyển được. Ngoài ra chiếc xe có thiết kế khá bắt mắt, có thể di chuyển với một vận tốc ổn định. Hình 1.6 Xe hai bánh tự cân bằng của Phan Ngọc Anh Tùng 1.5 Nội dung đề tài Nội dung phần còn lại của đề tài gồm các chương như sau: Chương 2: Mô hình cơ khí và hệ thống mạch điện Thiết kế cơ khí bao gồm các bộ phận cấu thành xe như khung xe, cần điều khiển, hộp giảm tốc và bánh xe. Kiểu dáng thể thao thuận tiện cho người điều khiển. Mạch điện bao gồm mạch nguồn động lực điều khiển động cơ, board điều khiển chính dùng là Arduino Due được trang bị lõi ARM. Hai board cầu H điều khiển hai động cơ. Cảm biến IMU dùng để đo góc nghiêng của xe. Chương 3: Xây dựng thuật toán điều khiển Nội dung chương 3 trình bày: Xây dựng thuật toán điều khiển chính xác, linh hoạt phù hợp với mô hình hệ thống. Bộ lọc Kalman dùng để tách 9 lấy những thông số mà cảm biến IMU trả về cung cấp cho vi điều khiển chính xử lý. Thuật toán PID giúp điều khiển động cơ Chương 4: Kết quả thực nghiệm Chương 4 trình bày những kết quả thực nghiệm độ chính xác của cảm biến khi sử dụng bộ lọc Kalman, kết quả đạt được của thuật toán PID áp dụng trên xe hai bánh tự cân bằng và kết quả cuối cùng trên mô hình xe thực tế. Chương 5: Kết luận Chương 5 trình bày tóm tắt những kết quả đạt được của đề tài và hướng phát triển của đề tài trong tương lai, chỉ ra hướng khắc phục những giới hạn mà đề tài còn mắc phải nhằm hoàn thiện đề tài tốt hơn. 10 Chương 2 KẾT CẤU CƠ KHÍ VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN 2.1 Mô hình cơ khí Mô hình cơ khí của xe được thiết kế gồm bốn phần chính: khung xe, cần điều khiển, cơ cấu truyền động giảm tốc và bánh xe. Tay cầm Cần điều khiển Khung xe Bánh xe Bánh xe M Hộp giảm tốc M Động cơ Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống cơ khí của xe 2.1.1 Khung xe Khung được chế tạo bằng sắt V3 (kích thước 30x30 mm) có hình chữ nhật, kích thước khung xe là 310x380 mm. Phần bên dưới gầm xe được thiết kế để đặt bình ắc quy với kích thước 310x160x150 mm (ắc quy loại 12V14Ah). 11 310 mm 380 mm Hình 2.2 Khung xe 2.1.2 Cần điều khiển Được làm bằng inox đường kính Ø32 mm, được uốn cong và làm nhỏ hai đầu tạo kiểu dáng thể thao và thuận tiện cho việc điều khiển xe. Phần trên của tay điều khiển được thiết kế giống như tay điều khiển của xe đạp, có gắn tay nắm cao su nhằm mục đích tăng độ bám và tạo cảm giác thoải mái cho người điều khiển. Phần dưới của cần điều khiển được kết nối với bộ khớp xoay cho phép người vận hành xe thay đổi hướng di chuyển. 300 mm 800 mm Hình 2.3 Cần điều khiển 12 Khớp xoay gồm hai gối đỡ loại (UCP304) dùng để cố định cần điều khiển vào sườn xe, gối đỡ có ổ bi giúp cần điều khiển có thể xoay trái, xoay phải một cách linh hoạt đồng thời khóa hai hướng tới, lùi của cần lại để khi nghiêng cần về phía trước hoặc ra phía sau thì sườn xe cũng nghiêng theo phục vụ cho việc điều khiển di chuyển của xe. Hình 2.4 Khớp xoay và gối đỡ của cần điều khiển Để cần điều khiển luôn ở vị trí thẳng đứng hoặc tự trả về vị trí thẳng đứng hai lò xo kéo được gắn hai bên cần điều khiển, độ căng của lò xo phải vừa đủ để khi gạt sang hai bên thì cần gạt luôn trả về vị trí ban đầu. Tín hiệu điều khiển được truyền về mạch điều khiển thông qua biến trở. Khi người điều khiển nghiêng cần sang trái hoặc sang phải thì sẽ tác động làm xoay biến trở. Giá trị điện áp của biến trở được đưa vào bộ ADC đã được tích hợp sẵn bên trong vi điều khiển. Hình 2.5 Biến trở dùng để điều khiển chuyển hướng của xe 2.1.3 Hộp giảm tốc Lựa chọn hộp giảm tốc phải phù hợp với tốc độ động cơ để có thể đạt được tốc độ di chuyển mong muốn của xe. 13 Tính toán lựa chọn tỷ số truyền của bộ giảm tốc: Chọn chu vi bánh xe vận tốc di chuyển mong muốn của xe (km/h). Vận tốc quay của bánh xe được tính theo công thức sau: ( ) (1) : tốc độ quay bánh xe Chọn tốc độ động cơ =2600 (vòng/phút) Do tốc độ quay của bánh xe nhỏ hơn tốc độ quay của động cơ, đồng thời để tạo ra mô men bộ giảm tốc được sử dụng với tỷ số truyền (T) được tính theo công thức (x.x): (2) Hộp giảm tốc TSUBAKI (TM16E10-1-1) có tỉ số truyền 1:10 được sử dụng cho cơ cấu truyền động của xe. Loại hộp giảm tốc này được dùng phổ biến trong cộng nghiệp có độ bền rất cao, thuận lợi cho việc sửa chửa và thay thế, phù hợp với yêu cầu thiết kế xe. Hình 2.6 Hộp giảm tốc 14 2.1.4 Bánh xe Bánh xe được chọn với yêu cầu về khả năng chịu tải khoảng 120 kg bao gồm phần tải trọng của xe và người điều khiển. Loại bánh xe 100/90/10 được sử dụng cho thiết kế xe hai bánh tự cân bằng, đây là loại bánh mâm chuyên dùng cho xe máy với thông số kích thước như sau: 100 là bề rộng của lốp xe được tính bằng mm, 90 là độ cao tính từ vành mâm đến đỉnh của lốp xe nơi tiếp xúc với mặt đường bằng 90% bề rộng của lốp xe, 10 là đường kính của mâm được tính theo đơn vị inch, chu vi bánh xe 1,362 m. Hình 2.7 Bánh xe 15 2.2 Hệ thống mạch điện của xe 2.2.1 Sơ đồ khối hệ thống I 2C Cảm biến IMU PWM Bo Arduino Due AT91SAM3X8E Biến trở Mạch điều khiền động cơ ADC M Nguồn cung cấp Hình 2.8 Sơ đồ khối của mô hình xe 2.2.2 Mạch điều khiển động cơ Mạch điều khiển động cơ sử dụng board cầu H với IC kích FET chuyên dụng IR2184 được điều khiển bằng vi điều khiển DsPIC4012. Board có thể hoạt động tốt trong môi trường công nghiệp với dòng điện làm việc ổn định 20 A. (sơ đồ nguyên lý trình bày ở phần phụ lục 2) Hình 2.9 Board điều khiển động cơ Thông số kỹ thuật của board:  Dòng làm việc ổn định: 20 A.  Dòng đỉnh: 50 A. 16  Điện áp cấp từ 24-36 V.  Có Led báo chiều động cơ.  Có Led báo nguồn.  Bảo vệ ngắn mạch, quá tải.  Kích thước 7x5 cm.  Dùng IC kích FET IR2184 chuyên dụng.  IC điều khiển DsPIC4012.  Có khả trả về giá trị Encoder. 2.2.3 Cảm biến IMU IMU (Inertial Measurement Unit) là một thiết bị được tích hợp giữa hai cảm biến Accelerometer (cảm biến gia tốc) và cảm biến Gyroscope (cảm biến con quay hồi chuyển) có chức năng cung cấp thông tin về góc quay và độ nghiêng giúp cho việc giữ thăng bằng của hệ thống tự động như robot vượt địa hình, robot tự cân bằng, xe tự cân bằng, máy bay… Cảm biến IMU sử dụng IC tích hợp MPU 6050 bao gồm một cảm biến gia tốc và một cảm biến con quay hồi chuyển dạng cảm biến vi cơ điện tử (MEMS). Cấu tạo phần cứng bên trong gồm có bộ chuyển đổi ADC 16 bit cho mỗi kênh với độ chính xác cao do đó dữ liệu đo thu được từ ba trục x, y và z không bị trễ về mặt thời gian. . Hình 2.10 Sơ đồ kết nối MPU 6050 với board Arduino 17 2.2.4 Mạch điều khiển trung tâm Mạch điều khiển chính của xe sử dụng board Arduino Due với chip vi điều khiển SAM3X8E ARM Cortex-M3 CPU của hãng Atmel. Đây là mạch Arduino đầu tiên dựa trên bộ vi điều khiển lõi ARM 32-bit. Mạch Arduino Due có 54 ngõ vào/ngõ ra là tín hiệu số (trong đó có 12 chân có thể xuất tín hiệu PWM), 12 chân ngõ vào analog và 2 chân ngõ ra DAC, xung nhịp 84 MHz, một cổng kết nối USB OTG, jack nguồn, nút nhấn reset CPU và các cổng giao tiếp đa dạng như 4 UART, SPI, TWI ( ) và JTAG. Hình 2.11 Board Arduino Due Bảng tóm tắt tính năng, thông số cần quan tâm của board. Microcontroller AT91SAM3X8E Operating Voltage 3.3V Input Voltage (recommended) 7-12V Input Voltage (limits) 6-16V Digital I/O Pins 54 (of which 12 provide PWM output) Analog Input Pins 12 Analog Outputs Pins 2 (DAC) Total DC Output Current on all 130 mA DC Current for 3.3V Pin 800 mA 18 DC Current for 5V Pin 800 mA Flash Memory 512 KB all available for the user applications SRAM 96 KB (two banks: 64KB and 32KB) Clock Speed 84 MHz Bảng 2.1 Các đặc tính và thông số kỹ thuật board Arduino Due 2.2.5 Động Cơ Tính toán công suất của động cơ: Đặt: : trong lượng của người điều khiển (80 kg) : trọng lượng của xe (40 kg) : bán kính bánh xe (0,217 m) : lực cản chuyển động : gia tốc trọng trường (9,81) : hệ số ma sát trượt (8.10-4) : bán kính ổ trục bánh xe (0,004 m) : hệ số ma sát lăn (5.10-4) : hệ số ma sát giữa bánh xe và mặt đường (1,3) Lực cản chuyển động được tính theo công thức (3): (3) 19 I: tỷ số truyền của động cơ (1/10) : hiệu suất động cơ (90%) M: mô men để thắng lực cản truyền động (4) : vận tốc mong muốn 20 km/h : công suất động cơ di chuyển khi có tải (5) Như vậy phải chọn loại động cơ có công suất > 79 (W). Động cơ sử dụng trong mô hình là hai động cơ DC servo SANYODENKI, bốn chổi than. Động cơ có tốc độ quay không tải là 2600 vòng/phút, công suất 170W, điện áp 32V, dòng điện định mức 7.9A, encoder nội 250 xung/vòng. Động cơ được lựa chọn với những thông số về công suất và tốc độ như trên nhằm mục đích giúp xe có thể đạt được mục tiêu về tốc độ di chuyển là 15km/h và tải trọng là 120kg. 20 Hình 2.12 Động cơ DC 2.2.6 Nguồn điện Nguồn điện cung cấp cho toàn bộ hệ thống board mạch và động cơ bao gồm ba bình ắc quy khô 12V-14Ah. Ba ắc quy được mắc nối tiếp tạo thành nguồn điện 36V để cấp nguồn cho động cơ hoạt động, đồng thời làm nguồn nuôi cho board điều khiển chính và cả hệ thống điện. Đây là loại ắc quy được sử dụng cho xe đạp điện nên được bán rộng rãi trên thị trường, thuận tiện cho việc sửa chữa hoặc thay thế. Hình 2.13 Bình ắc quy