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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG KHOA CƠ ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ---------- BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG LÊ XUÂN HƯNG BIÊN HÒA, THÁNG 12/2013 TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG KHOA CƠ ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ---------- BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG Sinh viên thực hiện: LÊ XUÂN HƯNG Giáo viên hướng dẫn: ThS.LÊ HOÀNG ANH BIÊN HÒA, THÁNG 12/2013 i LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện đề tài em đã nhận được rất nhiều sự hỗ trợ và giúp đỡ của quý thầy cô, các bạn sinh viên trong khoa Cơ điện-Điện tử. Trước hết, em xin chân thành cảm ơn thầy ThS. Lê Hoàng Anh là giảng viên trực tiếp hướng dẫn em thực hiện đề tài. Thầy đã hướng dẫn, nhắc nhở, hỗ trợ trang thiết bị giúp em thực hiện thành công đề tài. Tiếp theo, em xin gửi lời cảm ơn thầy ThS. Đỗ Bình Nguyên cùng các thầy trong khoa Cơ điện-Điện tử trường Đại học Lạc Hồng đã cho em những lời khuyên, kinh nghiệm quý báu cũng như tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành đề tài. Ngoài ra, em xin cảm ơn anh Trần Nguyên Sang, bạn Trà Ti Na và Nguyễn Tấn Hậu đã hỗ trợ em rất nhiều trong suốt thời gian qua. Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình em, cha mẹ đã luôn động viên và cổ vũ cho em trong suốt những năm tháng học tập. ii MỤC LỤC Lời cảm ơn ...............................................................................................................i Mục lục................................................................................................................... ii Bảng danh mục các từ viết tắt ................................................................................. v Danh mục bảng biểu ............................................................................................ vii Danh hình ảnh ..................................................................................................... viii Chương 1: TỔNG QUAN .........................................................................................1 1.1 Mục tiêu đề tài ................................................................................................... 1 1.2 Giới hạn của đề tài ............................................................................................ 1 1.3 Phương pháp tiếp cận đề tài .............................................................................. 1 1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ....................................................... 2 1.4.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới .............................................................2 1.4.1.1 Xe Segway .........................................................................................2 1.4.1.2 Balancing scooter ...............................................................................3 1.4.2.Tình hình nghiên cứu trong nước ...............................................................4 1.5 Nội dung đề tài .................................................................................................. 8 Chương 2: KẾT CẤU CƠ KHÍ VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN .....................10 2.1 Mô hình cơ khí ................................................................................................ 10 2.1.1 Khung xe ..................................................................................................10 2.1.2 Cần điều khiển..........................................................................................11 2.1.3 Hộp giảm tốc ............................................................................................12 2.1.4 Bánh xe.....................................................................................................14 iii 2.2 Hệ thống mạch điện của xe ............................................................................. 15 2.2.1 Sơ đồ khối hệ thống .................................................................................15 2.2.2 Mạch điều khiển động cơ .........................................................................15 2.2.3 Cảm biến IMU..........................................................................................16 2.2.4 Mạch điều khiển trung tâm ......................................................................17 2.2.5 Động Cơ ...................................................................................................18 2.2.6 Nguồn điện ...............................................................................................20 2.3 Mô hình xe thực tế .......................................................................................... 21 2.4 Các phương thức giao tiếp .............................................................................. 21 2.4.1 Giao thức ............................................................................................21 2.4.2 ADC .........................................................................................................22 2.4.3 UART .......................................................................................................23 2.4.3 PWM ........................................................................................................24 Chương 3: GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG VÀ DI CHUYỂN ..............26 3.1 Nguyên lý điều khiển cân bằng và di chuyển ................................................. 26 3.2 Bộ lọc Kalman................................................................................................. 28 3.3 Giải thuật PID ................................................................................................. 30 3.5 Giải thuật cân bằng và điều khiển di chuyển .................................................. 32 Chương 4 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ...................................................................35 4.1 Mô hình cơ khí ................................................................................................ 35 4.2 Độ chính xác của cảm biến ............................................................................. 35 4.3 Kết quả thực nghiệm trên mô hình xe thực tế ................................................. 36 Chương 5 KẾT LUẬN ..............................................................................................38 iv 5.1 Kết luận ........................................................................................................... 38 5.2 Hướng phát triển của đề tài ............................................................................. 38 Tài liệu tham khảo ................................................................................................. 39 v BẢNG DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT A - Ampe ADC - Analog to Digital Converter CPU - Central Processing Unit DAC - Digital to Analog Converter DC - Direct Current EEPROM - Electrically Erasable Programmable Read Only Memory IMU - Inertial Measurement Unit I2 C - Inter Intergrated Circuit IC - International Circuit Ibs - Paund I/O - Input / Output LED - Light Emitting Diode LCD - Liquid-crystal display MENS - Microelectromechanical Systems MOSFET - Metal–oxide–semiconductor field-effect transistor MSB - Most Significant Bit OTG - On The Go PC - Personal Computer PID - Proportional Integral Derivative vi PWM - Pulse Width Modulation USB - Universal Serial Bus UART - Universal Asynchronous Receiver – Transmitter Segway PT - Segway Personal Transporter SCL - Simply Connect Last SDA - Serial Data Line TTL - Transistor-transistor logic V - Volt W - Watt vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật bo Arduino Due AT91SAM3X8E ...............................18 Bảng 3.1 Phương pháp Ziegler - Nichols ....................................................................3 Bảng 4.1 Bảng so sánh kết quả đạt được với xe Segway chính hãng ......................37 viii DANH MỤCHÌNH ẢNH Hình 1.1 Xe Segway ...................................................................................................2 Hình 1.2 Tác giả Trevor Blackwell và xe scooter......................................................4 Hình 1.3 Robot hai bánh cân bằng của Nguyễn Gia Minh Thảo ...............................5 Hình 1.4 Robot hai bánh cân bằng của Trà Ti Na và Nuyễn Tấn Hậu ......................6 Hình 1.5 Xe hai bánh tự cân bằng của Mai Tuấn Đạt .................................................6 Hình 1.6 Xe hai bánh tự cân bằng của Phan Ngọc Anh Tùng ....................................8 Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống cơ khí của xe .............................................................10 Hình 2.2 Khung xe ....................................................................................................11 Hình 2.3 Cần điều khiển............................................................................................11 Hình 2.4 Khớp xoay và gối đỡ của cần điều khiển ...................................................12 Hình 2.5 Biến trở dùng để điều khiển chuyển hướng của xe ....................................12 Hình 2.6 Hộp giảm tốc ..............................................................................................13 Hình 2.7 Bánh xe .......................................................................................................14 Hình 2.8 Sơ đồ khối của mô hình xe .........................................................................15 Hình 2.9 Board điều khiển động cơ ..........................................................................15 Hình 2.10 Sơ đồ kết nôi MPU 6050 với board Arduino ...........................................16 Hình 2.11 Board Arduino Due ..................................................................................17 Hình 2.12 Động cơ DC .............................................................................................20 Hình 2.13 Bình ắcquy ...............................................................................................20 Hình 2.14 Mô hình xe thực tế ...................................................................................21 Hình 2.15 Mạng I2C với nhiều thiết bị và 2 điện trở kéo lên cho SDA, SCL...........22 ix Hình 2.16 Tín hiệu tương đương của UART và RS232 ...........................................23 Hình 2.17 Mô tả dạng xung PWM ............................................................................23 Hình 3.1 (a) Điều khiển xe di chuyển về phía trước, (b)Điều khiển xe di chuyển về phía sau ...............................................................................................................27 Hình 3.2 (a) xe rẽ trái, (b) xe rẽ phải.........................................................................28 Hình 3.3 Giới hạn độ dốc của đường ........................................................................28 Hình 3.4 Quy trình của bộ lọc Kalman .....................................................................30 Hình 3.5 Sơ đồ hệ thống PID ....................................................................................31 Hình 3.6 Lưu đồ thuật giải cân bằng, chuyển hướng và di chuyển ..........................33 Hình 4.1 So sánh giữ liệu thô và dữ liệu sau khi qua bộ lọc Kalman .......................36 Hình 4.2 Điều khiển xe xoay tròn tại vị trí cân bằng ................................................37 Hình 4.3 Xe lưu thông thực tế trên đường ................................................................37 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.