Tài liệu đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử xe hai bánh tự cân bằng

Lời cám1ơn. Đại học Bách Khoa Tp Hồồ Chí Minh Khoa cơ Khí Đồồ án thiếết kếế hệ thồếng Cơ Điện Tử Xe hai bánh tự cân bằồng GVHD: Đoàn Thêế Thảo Sinh viên thực hiện: Nguyễễn Bá An Cao Nhật Quang Lễ Ngọc Thường 20900014 20902087 20902718 Đồ án TKHTCĐT: Xe hai bánh tự cân bằng. Lời cám2ơn. Lời cám ơn. …Xin gửi lời cám ơn tới thầy Đoàn Thế Thảo đã tận tình hướng dẫn nhóm em trong quá trình thực hiện đồ án môn học.Sự hỗ trợ từ gia đình, bạn bè là động lực to lớn để nhóm em hoàn thành đồ án này. Chúng em đã làm việc nghiêm túc và đã cố gắng hoàn thành tốt đồ án, tuy nhiên không tránh khỏi những sai sót trong quá trình thực hiện. Kính mong thầy cô và các bạn góp ý để đồ án của chúng em được hoàn thiện tốt hơn. Chúng em xin chân thành cảm ơn. Nhóm sinh viên thực hiện đề tài Đồ án TKHTCĐT: Xe hai bánh tự cân bằng. Lời cám3ơn. Mục lục: Lời cám ơn.................................................................................................................... 2 Mục lục:........................................................................................................................3 I. Giới thiệu................................................................................................................ 4 II. Thiết kế cơ khí:...................................................................................................7 1. Ý tưởng thiết kế:.................................................................................................7 2. Cơ sở thiết kế mô hình:.......................................................................................9 3. Lựa chọn bộ truyền...........................................................................................10 4. Giới thiệu mô hình............................................................................................12 III. Mạch điện.........................................................................................................16 1. Khối cấp nguồn:................................................................................................16 2. Nguồn VĐK :....................................................................................................16 3. Mạch LCD:.......................................................................................................17 4. Mạch PIC:.........................................................................................................18 5. Mạch lọc:..........................................................................................................19 6. Mạch sử dụng biến trở chỉnh hệ số PID:...........................................................19 7. Mạch driver DC ( LMD18200).........................................................................20 8. Một số kết nối:..................................................................................................20 IV. Chương trình điều khiển...................................................................................21 1. Giới thiệu bộ điều khiển PID:...........................................................................21 2. Lưu đồ giải thuật:..............................................................................................29 3. Code điều khiển:...............................................................................................32 V. Mô phỏng bộ điều khiển PID............................................................................42 1. Mô hình toán học của động cơ..........................................................................42 2. Sơ đồ mô phỏng PID trên MATLAB................................................................43 VI. Tài liệu tham khảo.............................................................................................47 Đồ án TKHTCĐT: Xe hai bánh tự cân bằng. Lời cám4ơn. I. Giới thiệu Đề tài xe hai bánh tự cân bằng có thể xem là dựa trên kết quả của con lắc ngược .Nó được xem như là nền tảng cho việc nghiên cứu và chế tạo những loại robot hai chân, robot người trong tương lai. Mục tiêu của đề tài là thiết kế và chế tạo một xe hai bánh tự cân bằng, dựa trên lý thuyết cân bằng con lắc ngược. Điểm đặc biệt của đề tài là nghiên cứu và tạo ra mô hình xe có hai có hai bánh lắp song song với nhau, không giống như những chiếc scooter hay những chiếc xe hai bánh lắp theo kiểu bánh trước bánh sau. Đề tài xuất phát từ ý tưởng xe hai bánh segway đã được thương mại hóa trên thị trường. Kết hợp ý tưởng về cách giữ thăng bằng của con người trên đôi chân và độ cơ động trong di chuyển của các loại xe di chuyển bằng hai bánh. Thông qua bài nghiên cứu , có thể phần nào nắm bắt những ý tưởng thăng bằng cho các loại robot dạng người, cách phối hợp và xử lý tín hiệu tốt nhất từ cảm biến. Mô hình là một chiếc xe có hai bánh được đặt dọc trục với nhau khác với xe hai bánh thông thường có hai trục nằm song song.Để xe không bị ngã thì trọng tâm của mô hình luôn phải nằm trong vùng đỡ của bánh xe .Do vậy trên mô hình có sử dụng biến trở đóng vai trò là cảm biến để đo góc nghiêng của thân xe, ba biến trở làm nhiệm vụ điều chỉnh các hệ so Kp , KI, Kd với mục đích là lái trọng tâm vào phạm vi để xe có thế đứng và di chuyển. 1.1.Xe hai bánh tự cân bằồng. Đối với xe ba và bốn bánh , việc thăng bằng và ổn định của chúng là nhờ vào trọng tâm của chúng nằm trong bề mặt chân đế do các bánh xe tạo ra. Đối với các loại xe hai bánh có cấu trúc như xe đạp,việc thăng bằng khi không di chuyển là hoàn toàn không thể, vì việc thăng bằng của xe dựa trên tính chất con quay hồi chuyển ở hai bánh xe khi đang quay. Còn đối với xe hai bánh tự cân bằng là loại xe mà hai bánh cùng lắp trên một trục, để cho xe cân bằng thì trọng tâm của xe phải được giữ ngay giữa hai bánh xe. Điều này giống như việc giữ một cây gậy dựng thẳng đứng cân bằng trên ngón tay. H. Nguyên lý giữ thăng bằng Đồ án TKHTCĐT: Xe hai bánh tự cân bằng. Lời cám5ơn. Thực ra, trọng tâm của toàn bộ scooter không được biết nằm ở vị trí nào, cũng không có cách nào tìm ra nó và có thể không có khả năng di chuyển bánh xe đủ nhanh để giữ nó luôn ở dưới toàn bộ trọng tâm. Về góc độ kỹ thuật, góc giữa sàn scooter và chiều trọng lực có thể biết được. Do vậy, thay vì tìm việc xác định trọng tâm có thể tìm góc nghiêng của xe để lái xe về vị trí thẳng đứng khi xe bị nghiêng.Nếu xe được đẩy hơi nghiêng về phía trước , bộ điều khiển ra tín hiệu điều khiển xe về phía trước, khi nó bị ngã nghiêng ra sau thì bộ điều khiển ra tín hiệu điều khiển xe chạy lùi để giữ xe ở vị trí thăng bằng. Để dừng lại thì chỉ cần kéo trọng tâm xe nghiêng ngược hướng đang di chuyển thì tốc độ xe giảm xuống. Do tốc độ cảm nhận và phản ứng của mỗi người là khác nhau nên xe hai bánh tự cân bằng được thiết kế cho một người sử dụng. 1.2. Mục đích thiếết kếế xe hai bánh tự cân bằồng. Những mobile robot hầu hết là những robot di chuyển bằng ba bánh xe, với hai bánh lái được lắp ghép đồng trục và một bánh đuôi nhỏ. Có nhiều kiểu khác nhau nhưng đây là kiểu thông dụng nhất. Còn đối với các xe bốn bánh, thường một đầu xe có hai bánh truyền động và đầu xe còn lại được gắn một hoặc hai bánh lái. Việc thiết kế xe ba hay bốn bánh làm cho xe , mobile robot được thăng bằng ổn định nhờ trọng lượng của nó được chia cho hai bánh lái chính và bánh đuôi hay cho bất kì cái gì khác để đỡ trọng lượng của xe. Nếu trọng lượng được đặt nhiều vào hai bánh lái thì xe hay robot sẽ không ổn định và dễ bị ngã còn nếu đặt trọng lượng xe nhiều vào bánh đuôi thì hai bánh chính mất khả năng bám . Nhiều thiết kế xe, robot có thể di chuyển tốt trên địa hình phẳng nhưng không thể di chuyển tốt trên địa hình lồi lõm. Khi di chuyển lên đồi, trọng lượng xe hay robot dồn vào đuôi xe làm bánh bánh lái mất khả năng bám và trượt ngã, đối với những bậc thang nó có thể dừng hoặt động. Khi di chuyển xuống đồi thì trọng tâm thay đổi về phía trước và làm cho xe hay robot bị lật úp trên cầu thang, bị lật úp khi độ dốc chỉ từ 150 đến 200. Việc bố trí bống bánh xe, giống như xe hơi đồ chơi hay các loại xe bốn bánh hiện đang sử dụng trong giao thông không gặp vấn đề nhưng điều này sẽ làm cho các mobile robot không gọn gàng và thiết kế bộ phận lái gặp chút phiền toái để có thể xác định chính xác quãng đường đã đi. Ngược lại, xe hai bánh dạng 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 lên dốc, nó tự động nghiêng ra phía trước và giữ trọng lượng dồn về hai bánh lái chính. Tương tự như vậy, khi bước xuống dốc, nó nghiêng ra sau và giữ trọng tâm rơi vào các bánh lái. Chính vì vậy, không bao giờ có hiện tượng trọng tâm xe rơi Đồ án TKHTCĐT: Xe hai bánh tự cân bằng. Lời cám6ơn. ra ngoài vùng đỡ của các bánh xe, do đó xe có thể vượt qua địa hình an toàn mà các loại xe khác không vượt qua được.Do đó, đối với địa hình lồi lõm và những ứng dụng thực tế, sự thăng bằng xe hai bánh có thể sẽ mang lại nhiều ý nghĩa thực tiễn trong giới hạn ổn định hơn là đối với xe ba bánh truyền thống. 1.3. Khả nằng ứng dụng Xây dựng được một phương tiện vận chuyển mới trong khu vực chật hẹp, có thể di chuyển ngay trong các chung cư tòa nhà cao tầng, dùng trợ giúp di chuyển cho người già và trẻ em. Làm phương tiện vận chuyển hàng hóa dến những nơi đã được lập trình sẵn ở trong các tòa nhà , phòng làm việc, không gian chật hẹp và khó xoay trở. Làm tiền đề nghiên cứu việc kết hợp với các robot dò đường, robot lái mặt đường, robot camera để gia tăng chức năng và hiệu quả làm việc của robot. Đồ án TKHTCĐT: Xe hai bánh tự cân bằng. Lời cám7ơn. II. Thiếết kếế cơ khí: 1. Ý tưởng thiếết kếế: 1.1.Đo góc giữa thân xe với hướng trọng lực Trên xe sẽ gắn 1 con lắc thuận. Con lắc luôn có xu hướng xuôi theo hướng trọng lực, có thể sử dụng điều này để đo góc giữa thân xe và con lắc. Mô hình kiều này có ưu điểm là có thể đo góc nghiêng mà không phụ thuộc vào góc nghiêng của mặt đường, do đó bất địa hình bằng phẳng hay lên xuống cũng không ảnh hưởng đến hoạt động của xe (ở ý tưởng sau sẽ thấy ảnh hưởng của địa hình). Tuy nhiên có vấn đề: con lắc sẽ dao động, để giảm dao động thì cần tăng ma sát ở trục quay, điều này có thể ảnh hướng tới đáp ứng của xe. Theo quan điểm của nhóm em thì mô hình kiểu này sẽ không ổn định, khó cân bằng. Đồ án TKHTCĐT: Xe hai bánh tự cân bằng. Lời cám8ơn. 1.2.Đo góc giữa thân xe và mặt sàn. Ở kiểu mô hình này, con lắc thuận sẽ được kéo dài, tiếp xúc với mặt sàn, góc đo được là góc giữa thân xe mà mặt sàn. Do con lắc tiếp xúc với mặt sàn nên sẽ k bị dao động, đáp ứng nhanh. Tuy nhiên do góc đo được là góc giữa con lắc với mặt sàn, nên xe chỉ hoạt động trên mặt phẳng có độ nghiêng không đổi. Đồ án TKHTCĐT: Xe hai bánh tự cân bằng. Lời cám9ơn. 2. Cơ sở thiếết kếế mồ hình: ϴ” = (g / R)ϴ (công thức lấy từ tài liệu 00964A – Microchip, về con lắc ngược) Gia tốc góc của con lắc ngược sẽ tỉ lệ nghịch với R là khoảng cách từ tâm xoay tới trọng tâm của con lắc. Như vậy khi mô hình có trọng tâm càng cao thì càng dễ cân bằng, ổn định, do phần thân sẽ đổ chậm, đây là điểm quan trọng, giúp cho các công việc sau này dễ dàng hơn. Đồ án TKHTCĐT: Xe hai bánh tự cân bằng. Lời cám10 ơn. 3. Lựa chọn bộ truyếồn. Nhóm em đưa ra hai phương án là: sử dụng bộ truyền bánh răng hoặc đai răng. 3.1.Bộ truyếồn bánh rằng Bộ truyền bánh răng làm việc theo nguyên lý ăn khớp, thực hiện truyền chuyển động và công suất dựa vào sự ăn khớp giữa các răng trên bánh răng. Ưu điểm: Kích thước nhỏ, khả năng tải lớn. Tỷ số truyền không thay đổi. Hiệu suất cao, có thể đạt từ 0.97 – 0.99. Làm việc với vận tốc cao. Tuổi thọ, độ tin cậy cao. Nhược điểm: Chế tạo phức tạp. Đòi hỏi độ chính xác cao. Có nhiều tiếng ồn khi vận tốc lớn. 3.2.Bộ truyếồn đai Bộ truyền đai làm việc theo nguyên lý ma sát, tải trọng được truyền đi nhờ lực ma sát sinh ra giữa dây đai và các bánh đai. Ưu điểm: Truyền động giữa các trục xa nhau Làm việc êm và không ồn. Nhờ tính chất đàn hồi của đai nên có khả năng tránh đc những dao động lớn sinh ra do tải trọng thay đổi. Đề phòng sự quá tải nhờ khả năng trượt của đai. Kết cấu, vận hành đơn giản. Nhược điểm: Kích thước bộ truyền lớn. Tỉ số truyền thay đổi do sự trượt. Tuổi thọ thấp. 3.3.Kếết luận Bộ truyền đai nhờ khả năng làm việc êm và không cần sự chính xác cao về khoảng các trục như bộ truyền bánh răng nên là một giải pháp tốt cho phần truyền động của mô hình. Tuy nhiên bộ chuyền bánh răng (nhựa), thực tế dễ dàng mua và giá Đồ án TKHTCĐT: Xe hai bánh tự cân bằng. Lời cám11 ơn. thành rẻ hơn nhiều so với bộ truyền đai nên nhóm em lựa chọn bộ truyền bánh răng. Đồ án TKHTCĐT: Xe hai bánh tự cân bằng. Lời cám12 ơn. 4. Giới thiệu mồ hình. H. Mô hình 4.1.Một sồế chi tiếết: H. Một số chi tiêt trên xe. Đế gắn mạch điện: được gắn vào than xe bằng cách bắt vít vào rãnh trượt hai bên, có khả năng dịch chuyển lên xuống nhờ rãnh trượt. Lỗ gắn biết trở: gồm 1 lỗ gắn trục biến trở và 1 lỗ nhỏ cố định biến trở. Đồ án TKHTCĐT: Xe hai bánh tự cân bằng. Lời cám13 ơn. Rãnh trượt: dùng để cố định đế gắn mạch và chân đỡ xe. Lỗ đặt ổ lăn. Chân đỡ: giúp bảo vệ xe, phần mạch điện khi xe bị đổ. 4.2.Cụm truyếồn động H. Cụm truyền động. Motor H. Động cơ 12VDC Motor có gắn sẵn bánh răng nhỏ, đường kính ngoài 9mm. Đồ án TKHTCĐT: Xe hai bánh tự cân bằng. Lời cám14 ơn. Bánh xe – Trục – Bánh răng bị động. H. Cụm bánh xe. Bao gồm 2 bánh xe, 2 ổ lăn, trục (5mm) và 1 bánh răng. Lắp motor: H. lắp ráp motor trong mô hình. Phần định vị giúp motor có thể dịch chuyển theo chiều dọc để điều chỉnh ăn khớp H. Motor có thể dịch theo chiều dọc trục, điều chỉnh ăn khớp. Đồ án TKHTCĐT: Xe hai bánh tự cân bằng. Lời cám15 ơn. Ăn khớp giữa hai bánh răng H. hai bánh răng ăn khớp 4.3.Cây đo góc. H. Cây đo góc Cây đo góc được gắn vào một biến trở gắn trên thân xe, có nhiệm vụ đo góc lệch giữa thân xe và sàn. Đồ án TKHTCĐT: Xe hai bánh tự cân bằng. III. Mạch điện. 1. Khồếi câếp nguồồn: Đầu ra: 24VDC 5VDC - 3.3VDC - tùy chỉnh, ổn định Mạch sừ dụng IC ổn áp LM2576, cho phép dòng tối đa tới 3A. Mạch được sử dụng để cấp nguồn cho các mạch điện sử dụng trên xe và động cơ. 2. Nguồồn VĐK : Nguồn VĐK sử dụng nguồn xung nên giảm tối đa mất năng lượng do nhiệt, hoạt động ổn định. IC MC34063 nguồn cấp từ 3V đến 40V, xung lên đến 100Hz, dòng tối đa 1.5 A, sai số 2% Đồ án TKHTCĐT: Xe hai bánh tự cân bằng. 3. Mạch LCD: Mạch LCD sử dụng 4 bus để truyền nhận dữ liệu với PIC, cách thức kết nối này giúp tiết kiệm dây kết nối với PIC. Đồ án TKHTCĐT: Xe hai bánh tự cân bằng. 4. Mạch PIC: Mạch sử dụng PIC 16f887 sử dụng thạch anh ngoài 20Hz là đã đủ để lập trình cho xe 2 bánh tự cân bằng. Chân được kết nối như hình giúp ta lập trình một cách dễ dàng Đồ án TKHTCĐT: Xe hai bánh tự cân bằng. 5. Mạch lọc: Mạch lọc tham khảo từ tài liệu AN964 của Microchip giúp tín hiệu nhân về VĐK được ổn định ít nhiễu. 6. Mạch sử dụng biếến trở chỉnh hệ sồế PID: Để dễ dàng khảo sát, thay đổi hệ số Kp, Ki, Kd tôi đã sử dụng 3 biến trở kết nối như hình. Đồ án TKHTCĐT: Xe hai bánh tự cân bằng. 7. Mạch driver DC ( LMD18200) LMD18200 là IC chuyên dùng cho điều khiển động cơ DC với dòng lên đến 3A. Với chân PWM và thay đổi độ rộng xung hoặc tần số xung ta có thể điều khiển được tốc độ động cơ. Chân DIR dùng để đảo chiều động cơ, chân BRAKE dùng để dừng động cơ.Mạch thiết kế như trên có thể cấp xung PWM lên đến 20kHz. 8. Một sồế kếết nồếi: Mạch dùng để kết nối các linh kiện và mạch với nhau. Đồ án TKHTCĐT: Xe hai bánh tự cân bằng.