Bài tập lớn thiết kế hệ thống cơ điện tử đề tài thiết kế, mô phỏng xe tự cân bằng dựa vào khái niệm con lắc ngược

dụng trong giao thông không gặp vấn đề nhưng điều này sẽ làm cho các mobilerobot không gọn gàng và thiết kế bộ phận lái gặp chút phiền toái để có thể xác địnhchính xác quãng đường đã đi.

Giới thiệu

Đặt vấn đề

Robot, tự động hóa đang là xu hướng phát triển của thế giới, dần thay thế nhân công bằng các thiết bị máy móc tự động trong dây chuyển sản xuất Nghiên cứu về robot đặc biệt là robot di động là một phần quan trọng trong ngành cơ điện tử mà chúng em đang theo học Xe hai bánh tự cân bằng là một đề tài rất quen thuộc và được rất nhiều kỹ sư trên thế giới chú ý Ta phải thiết kế bộ điều khiển sao cho xe có thể cân bằng trong mọi địa hình, trong bất cứ thời tiết nào và trong bất kỳ tình huống nào Từ đó ta có thể ứng dụng vào đời sống giúp giảm thiểu tai nạn khi xe mất tự chủ hay áp dụng vào các nhà máy vận chuyển hàng giảm thiểu tối đa về kinh tế, … Chúng em nhận thấy được tầm quan trọng trong nghiên cứu về xe hai bánh tự cân bằng nên chúng em đã chọn đề tài: “Thiết kế mô hình xe hai bánh tự cân bằng dựa trên cơ sở con lắc ngược với bộ điều khiển PID” Do kiến thức và kinh nghiệm vẫn chưa nhiều nên sẽ có những sai sót trong bài báo cáo, mong thầy và các bạn đọc thông cảm.

1.2 Giới thiệu về đề tài 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

TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com 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 số Kp, KI, Kd với mục đích là lái trọng tâm vào phạm vi để xe có thế đứng và di chuyển. 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.

Nguyên lý giữ thăng bằng

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

TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com 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.

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

TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com 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 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.

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.

TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com

Mục đích thiết kế

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

TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com 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 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.

Khả năng 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.

Cơ sở lý thuyết

Phân tích động học con lắc ngược

Tổng lực theo phương ngang:

(1) Lực ly tâm theo phương ngang:

(5) Tổng momen tại tâm con lắc:

(7) Phương trình của cơ hệ theo t với phi là góc lệch so với biên độ con lắc

Tìm hàm truyền của hệ bằng phép biến đổi laplace

Hàm truyền của góc con lắc:

Hàm truyền vị trí con lắc:

Phương trình viết dưới dạng không gian trạng thái (state space) x˙ = Ax + Bu

TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com y = Cx + Du

A là ma trận của hệ thống,

B là ma trận điều khiển u là vector điều khiển C là ma đầu ra

D là ma trận truyền thẳng x là vector trạng thái hệ y là vector đầu ra

Tính hàm truyền của hệ bằng matlab

Chạy code ta tìm được hàm truyền theo miền s

Tính ổn định và điều khiển được

Hệ được cho là ổn định khi nghiệm của đa thức dưới mẫu được cho bởi hàm truyền thỏa những phương pháp như poles – zeros, bảng routh, roots locus

Nhìn đồ thị ta thấy có một điểm tọa độ x dương nên hệ không ổn định.

Tính điều khiển được là khả năng tác động vào hệ thống để đạt được trạng thái mong muốn bằng cách sử dụng một tín hiệu điều khiển thích hợp. Đối với hệ thống tuyến tính – bất biến theo thời gian (LTI) tính chất điều khiển được liên quan đến ma trận hệ thống A, ma trận nói lên tính chất của hệ thống và ma trận điều khiển B, ma trận liên quan đến việc bố trí các động cơ dẫn động.

Theo tiêu chuẩn Kalman là điều khiển được nếu ma trận:

C = [B, AB, A 2 B, …, A n-1 B] có hạng bằng n, rank(C)=n

Từ đây ta suy ra hệ điều khiển được.

Thiết kế bộ điều khiển PID

Các phương pháp tìm hệ số Kp, Ki, Kd

Có nhiều phương pháp khác nhau để điều chỉnh vòng lặp PID Những phương pháp hữu hiệu nhất thường bao gồm những triển khai của vài dạng mô hình xử lý, sau đó chọn P, I, và D dựa trên các thông số của mô hình động học Các

TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com phương pháp điều chỉnh thủ công tương đối không hiệu quả lắm, đặc biệt nếu vòng lặp có thời gian đáp ứng được tính bằng phút hoặc lâu hơn.

Lựa chọn phương pháp thích hợp sẽ phụ thuộc phần lớn vào việc có hay không vòng lặp có thể điều chỉnh "offline", và đáp ứng thời gian của hệ thống Nếu hệ thống có thể thực hiện offline, phương pháp điều chỉnh tốt nhất thường bao gồm bắt hệ thống thay đổi đầu vào từng bước, tín hiệu đo lường đầu ra là một hàm thời gian, sử dụng đáp ứng này để xác định các thông số điều khiển.

Lựa chọn phương pháp điều chỉnh Ưu điểm Khuyết điểm Điều chỉnh Không cần hiểu biết về toán Yêu cầu nhân viên có kinh thủ công

Ziegler– Phương pháp chứng minh Làm rối loạn quá trình, một Nichols

Phương pháp online số thử nghiệm và lỗi, phải điều chỉnh nhiều lần

Các công cụ Điều chỉnh chắc chắn Phương Giá cả cao, và phải huấn phần mềm pháp online hoặc offline Có thể luyện. bao gồm phân tích các van và cảm biến Cho phép mô phỏng trước khi tải xuống để thực thi.

Cohen-Coon Xử lý các mô hình tốt Yêu cầu kiến thức toán học.

Phương pháp offline Chỉ tốt đối với các quá trình bậc một.

Phương pháp nhóm chọn điều chỉnh thủ công:

Nếu hệ thống phải duy trì trạng thái online, một phương pháp điều chỉnh là thiết đặt giá trị đầu tiên của Ki và Kd bằng không Tăng dần Kp cho đến khi đầu ra của vòng điều khiển dao động, sau đó Kp có thể được đặt tới xấp xỉ một nửa giá trị đó để đạt được đáp ứng "1/4 giá trị suy giảm biên độ" Sau đó tăng

Ki đến giá trị phù hợp sao cho đủ thời gian xử lý Tuy nhiên, Ki quá lớn sẽ gây mất ổn định Cuối cùng, tăng Kd, nếu cần thiết, cho đến khi vòng điều khiển nhanh có thể chấp nhận được nhanh chóng lấy lại được giá trị đặt sau khi bị nhiễu Tuy nhiên, Kd quá lớn sẽ gây đáp ứng dư và vọt lố.Một điều chỉnh cấp tốc của vòng điều khiển PID thường hơi quá lố một ít khi tiến tới điểm đặt nhanh chóng; tuy nhiên, vài hệ thống không chấp nhận xảy ra vọt lố, trong trường hợp đó, ta cần một hệ thống vòng kín giảm lố, thiết đặt một giá trị Kp nhỏ hơn một nữa giá trị Kp gây ra dao động.

Mô phỏng bằng Matlab

Mô phỏng đáp ứng của hệ

Sơ đồ khối của hệ khi điều khiển vị trí

Khi đó hàm truyền biến đổi thành Đáp ứng xung của vị trí con lắc ngược khi điều khiển bằng PID

Sơ đồ khối của hệ khi điều khiển vị trí và góc con lắc

Sắp xếp lại ta được sơ đồ khối sau

Khi đó hàm truyền sẽ bằng Đáp ứng của vị trí xe khi điều khiển bằng PID

Mô phỏng bằng Simulink

Sơ đồ khối tổng thể

Khối Inverted Pendulum on Cart

Kết quả chạy mô phỏng:

1 Vận tốc và góc con lắc

2 Góc con lắc, vận tốc con lắc, vận tốc xe

Định dạng
Số trang	30
Dung lượng	699,76 KB