- Với khả năng tự cân bằng trên hai bánh, loại robot này đã và đang được chế tạo vàcải tiến thành các phương tiện giao thông như xe scooter tự cân bằng, …, phục vụ nhucầu đi lại của con
Đề bài và yêu cầu đặt ra
Cho mô hình robot 2 bánh tự cân bằng như hình vẽ với các thông số kỹ thuật như sau:
- Vận tốc di chuyển mong muốn: 10m/phút
- Tải trọng mang của xe: 3 kg.
- Kích thước hình học giới hạn các chiều (dài x rộng x cao): 300mm x 200mm x
- Thời gian hoạt động sau 1 lần sạc pin: 15 phút.
Hãy lên phương án thiết kế robot 2 bánh tự cân bằng với các yêu cầu kỹ thuật nêu trên theo đúng định hướng cơ điện tử.
Hình 1: Mẫu robot hai bánh tự cân bằng.
- Có khả năng tự đạt được trạng thái cân bằng từ vị trí nghỉ (thân robot nằm gần song song với mặt đất.)
- Có khả năng duy trì trạng thái cân bằng dưới các tác động bên ngoài.
- Có khả năng điều khiển được thông qua ứng dụng trên điện thoại.
- Có khả năng hoạt động ổn định trên mặt đường bằng phẳng và hoạt động được trên các địa hình phức tạp hơn (bề mặt gồ ghề).
Giới thiệu tổng quan
1 Robot hai bánh tự cân bằng là gì?
1.1 Nguyên lí hoạt động của robot hai bánh tự cân bằng:
Hình 2: Mô tả nguyên lý giữ thăng bằng.
Xe hai bánh tự cân bằng khi trọng tâm của xe (bao gồm cả xe và tải mang theo) được đặt chính xác giữa các bánh xe, giúp duy trì trạng thái ổn định Khác với xe ba hoặc bốn bánh, vốn được cân bằng dựa trên trọng tâm nằm trong mặt phẳng tiếp xúc của bánh xe với mặt đường, xe hai bánh yêu cầu trọng tâm phải ở vị trí trung tâm để đảm bảo cân bằng tối ưu Điều này đảm bảo xe hai bánh duy trì ổn định khi di chuyển hoặc dừng lại, phù hợp với nguyên tắc cân bằng trong thiết kế xe hai bánh.
Robot trong đề tài này hoạt động dựa trên nguyên lý tương tự như con lắc ngược, một vấn đề kinh điển được nghiên cứu trong môn Động lực học và Điều khiển Việc hiểu rõ nguyên tắc của con lắc ngược giúp phát triển các hệ thống robot có khả năng cân bằng và điều khiển chính xác Các kỹ thuật điều khiển áp dụng cho robot này phù hợp với các nguyên tắc đã được nghiên cứu về con lắc ngược trong lĩnh vực cơ học và tự động hóa Nhờ vào kiến thức về con lắc ngược, các nhà phát triển robot có thể tối ưu hóa hiệu suất và đảm bảo tính ổn định trong hoạt động của hệ thống.
Hình 3: Mô hình con lắc ngược trong Hình 4: Mô hình môn học Động lực học và điều khiển robot hai bánh tự cân.
Cả hai mô hình hoạt động dựa trên nguyên lý điều chỉnh góc nghiêng của con lắc theo mô hình Kerman, tương tự quá trình giữ thăng bằng của con người Khi con lắc (tải trọng) có xu hướng nghiêng về phía nào, bộ điều khiển sẽ kích hoạt động cơ để điều chỉnh hướng, giúp hệ thống duy trì cân bằng Quá trình này tạo ra gia tốc quán tính đối với mô hình con lắc ngược hoặc momen cản quay cho robot tự cân bằng, từ đó giữ góc nghiêng của tải trong phạm vi an toàn.
Hình 5: Mô tả cách robot bắt đầu di chuyển.
Điểm đặc biệt của mô hình robot này là trục động cơ vừa đóng vai trò trục quay của con lắc, bao gồm toàn bộ thân xe và tải mang theo, giúp cải thiện hiệu suất vận hành Ngoài ra, góc nghiêng của hệ thống được đo bằng cảm biến chuyên dụng, thay vì sử dụng encoder như trong mô hình con lắc ngược, đảm bảo độ chính xác cao hơn trong quá trình điều khiển và giám sát.
1.2 Ưu điểm của robot hai bánh tự cân bằng:
- Nhỏ gọn hơn so với những robot dùng từ 3 bánh trở lên.
Xe có khả năng linh hoạt trong di chuyển, có thể xoay và điều hướng tại chỗ, giúp nâng cao hiệu quả và tiết kiệm không gian Nhờ những đặc điểm này, chúng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống và ngành công nghiệp, góp phần nâng cao năng suất và tối ưu hóa quá trình làm việc.
Xe được thiết kế với hai bánh xe đặt song song nhau, giúp dễ dàng di chuyển trong không gian hẹp Thiết kế này tối ưu hóa khả năng điều hướng, giảm trở ngại so với các phương tiện khác, nâng cao trải nghiệm người dùng trong các không gian chật hẹp.
Robot tự cân bằng trên hai bánh đã được phát triển và không ngừng cải tiến thành các phương tiện giao thông như xe scooter tự cân bằng, đáp ứng nhu cầu đi lại hiệu quả và tiện lợi cho con người.
1.3 Nhược điểm của robot hai bánh tự cân bằng:
Trong các địa hình phức tạp, việc điều hướng robot gặp nhiều khó khăn, đặc biệt là khi leo dốc có độ dốc cao hoặc vượt qua các chướng ngại vật như bậc thang cao, do robot khó duy trì khả năng cân bằng và di chuyển linh hoạt trên những địa hình này.
2 Các nghiên cứu trong và ngoài nước:
Hiện tại chưa có thông tin chính thức về việc chế tạo và ứng dụng robot hai bánh tự cân bằng tại Việt Nam, nhưng trên thế giới, loại robot này đã trở thành phương tiện vận chuyển cá nhân phổ biến nhờ tính năng tự cân bằng và giá thành hợp lý Các nghiên cứu và sản phẩm robot hai bánh tự cân bằng đã được phát triển rộng rãi, đáp ứng nhu cầu di chuyển linh hoạt và tiện dụng Những công trình này không chỉ thể hiện tiến bộ công nghệ mà còn mở ra cơ hội ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống hàng ngày.
Cảm biến hồng ngoại Sharp được sử dụng để đo khoảng cách với sàn và tính toán góc nghiêng của robot, giúp hệ thống duy trì cân bằng chính xác Cảm biến được đặt ở vị trí thấp để đảm bảo dữ liệu truyền về bộ xử lý một cách chính xác Động cơ servo Hitec HS-311 hoạt động với nguồn điện được điều chỉnh qua bộ điều chế độ rộng xung (PWM), giúp kiểm soát tốc độ và đảm bảo hoạt động ổn định của robot cân bằng.
Bộ điều khiển: dùng vi điều khiển ATMega32 RISC.
Nguyên lý hoạt động của hệ thống là một Motor được kết nối với bộ điều khiển hồi tiếp trạng thái LQR, giúp tối ưu hóa quá trình điều khiển robot Bộ điều khiển nhận tín hiệu đầu vào là trạng thái hiện tại của robot và dữ liệu mẫu từ cảm biến, sau đó tính toán và chuyển đổi thành tín hiệu điều khiển phù hợp Motor còn lại sẽ sao chép chính xác chuyển động của motor đầu, đảm bảo sự phối hợp đồng bộ trong hệ thống.
Robot tự cân bằng hoặc cân bằng khi tác dụng lực đẩy phù hợp được ứng dụng trong mục đích học tập và nghiên cứu Cảm biến hồng ngoại, được gắn lệch ra ngoài, khiến kích thước của robot khá lớn và cồng kềnh, nhưng việc sử dụng cảm biến này để đo góc nghiêng là điểm nổi bật và sáng tạo của robot.
Nguyên lý hoạt động của robot dựa trên cảm biến phát hiện hướng sắp ngã, gửi dữ liệu về bộ điều khiển để xử lý Sau đó, bánh xe sẽ di chuyển về phía hướng đó nhằm duy trì trọng tâm, giúp robot giữ thăng bằng và tránh bị lật Hệ thống đảm bảo robot luôn nằm trong vùng an toàn, không bị rơi khỏi vị trí cân bằng.
+ Cảm biến góc nghiêng ADXL202 để xác định góc nghiêng của robot so với trọng lực.
+ Encoder tích hợp trên bánh xe để xác định vị trí của robot.
+ Thiết bị dò khoảng cách SHARP IR.
Cảm biến PING giúp điều hướng và tránh vật cản hiệu quả, nâng cao khả năng vận hành của thiết bị Động cơ sử dụng hộp số Pittman GM8712 DC hoạt động mạnh mẽ, ổn định, được cấp nguồn 24V từ pin AA NiMH 18 trạng thái sạc lại 1800mAh, đảm bảo hệ thống hoạt động liên tục và bền bỉ.
Bộ điều khiển gồm vi điều khiển và mạch cầu H giúp điều khiển chiều và tốc độ của động cơ Robot không chỉ có khả năng cân bằng tại chỗ mà còn di chuyển linh hoạt trên nhiều địa hình như sân bê tông, cỏ, cát, và địa hình dốc, đáp ứng mọi nhu cầu điều khiển theo ý muốn Nhờ những tính năng này, robot thường được ứng dụng trong dò thám địa hình hoặc thực hiện công việc trong môi trường nguy hiểm mà con người không thể tiếp cận.
Hình 8: nBot hoạt động trên một số địa hình.
Nhìn chùng, nBot là một robot cân bằng khá toàn diện.
Lựa chọn phương án kết cấu cơ khí (Mechanical modules)
Tham khảo các mô hình, sản phẩm đã có sẵn, ta nhận thấy có hai kiểu kết cấu chính:
Dạng tầng: thường gặp trong các robot được chế tạo với mục đích nghiên cứu, học tập.
• Gọn nhẹ, khi hoạt động không chiếm nhiều diện tích do các thành phần được xếp chồng lên nhau.
• Trọng lượng phân bố tập trung hơn phương án sắp xếp dàn trải, dẫn đến dễ dàng hơn trong việc điều khiển.
• Giúp robot hoạt động được trong các vùng không gian hẹp, bán kính quay đầu cần thiết nhỏ hơn.
• Các thành phần được xếp chồng lên nhau gây khó khăn trong việc điều chỉnh và sửa chữa.
• Cần thiết phải có dây nối để liên kết các thành phần ở các tầng.
Khung xe sẽ bao gồm nhiều thành phần hơn so với phương án sắp xếp dàn trải, giúp tăng độ chắc chắn và ổn định cho xe Trong khi đó, dạng dàn trải thường được sử dụng trong các sản phẩm thương mại, bởi các bộ phận thường được đặt gọn dưới gầm xe để tối ưu không gian và thuận tiện cho quá trình sản xuất.
• Các thành phần được dàn trải trên một bề mặt, dễ dàng tiếp cận để thay thế và sửa chữa.
• Khung xe có cấu tạo đơn giản hơn.
• Diện tích chiếm dụng lớn, gây khó khăn khi hoạt động trong các không gian hẹp.
• Trọng lượng phân tán hơn phương án sắp xếp dạng tầng.
Robot do sinh viên chế tạo nhằm mục đích ứng dụng kiến thức về cơ khí, điện và điều khiển, trở thành nguyên mẫu để thực hành và kiểm nghiệm Thiết kế khung xe dạng tầng giúp robot vừa nhẹ, dễ mang theo, phù hợp với nhiều địa hình khác nhau Mô hình robot này hỗ trợ học tập, nâng cao kỹ năng thực tế và ứng dụng công nghệ trong lĩnh vực tự động hóa.
2 Bố trí các thành phần:
Các thành phần cơ bản cấu tạo nên robot gồm:
- Mạch điều khiển, mạch công suất, các cảm biến cần thiết.
Nguồn pin đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hoạt động ổn định của robot Để dễ dàng thay thế và nâng cao tính ổn định của hệ thống, nên bố trí các thành phần của hệ thống một cách hợp lý, tối ưu hóa vị trí nguồn pin nhằm thuận tiện cho quá trình bảo trì, sửa chữa và nâng cấp Việc lựa chọn nguồn pin phù hợp giúp duy trì hiệu suất hoạt động liên tục và kéo dài tuổi thọ của robot.
Hình 12: Cách sắp xếp các thành phần của hệ thống.
Lí do lựa chọn cách sắp xếp nêu trên:
Tải là thành phần có khối lượng nặng nhất trong hệ thống, đặt ở tầng dưới giúp tăng độ ổn định và giảm chi phí động cơ Khi đặt tải ở các tầng trên, robot cần sử dụng động cơ có momen lớn hơn để đảm bảo cân bằng khi nghiêng, điều này cũng yêu cầu phải chọn động cơ có công suất lớn hơn Tuy nhiên, việc sử dụng hộp giảm tốc để tăng momen vẫn cần phải cân nhắc để duy trì tốc độ vận hành phù hợp, do đó, lựa chọn đặt tải ở tầng dưới là giải pháp tối ưu về mặt ổn định và chi phí.
- Nguồn pin: do đây là thành phần cần phải thay thế thường xuyên (hoặc lấy ra để cắm sạc), việc đặt ở tầng trên cùng là hợp lý vì người dùng có thể dễ dàng thao tác, không ảnh hưởng đến phần dây kết nối bên dưới.
- Mạch điều khiển, công suất và cảm biến: được đặt ở tầng còn lại của khung xe.
3 Vật liệu chế tạo khung:
Một kết cấu cơ khí được thiết kế tốt cần chú ý đặc biệt đến vật liệu chế tạo để đảm bảo độ bền và chất lượng Hiện nay, có nhiều loại vật liệu tiên tiến, vừa đáp ứng nhu cầu tạo mẫu nhanh, vừa có khối lượng nhẹ và độ bền cao, góp phần nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của các kết cấu cơ khí Một số vật liệu tiêu biểu hiện nay bao gồm các loại hợp kim nhẹ, nhựa kỹ thuật và composite, phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau trong ngành cơ khí.
• Ưu điểm: độ bền cao, có thể tái sử dụng, phổ biến.
• Nhược điểm: giá thành cao, gia công tốn kém, không đảm bảo khả năng cách điện giữa các thành phần, giãn nở vì nhiệt gây biến dạng.
• Ưu điểm: độ bền chấp nhận được (flexural strength ≈ 74 MPa) , giá thành rẻ, tạo mẫu nhanh (in 3D), đảm bảo cách điện tốt, chịu nhiệt tốt.
• Nhược điểm: không tái sử dụng được.
• Ưu điểm: độ bền khá cao (flexural strength ≈ 262 MPa), giá thành trung bình, gia công dễ dàng, đảm bảo cách điện tốt, chịu nhiệt tốt.
• Nhược điểm: không tái sử dụng được.
Những yêu cầu về kết cấu khung:
• Đảm bảo cách điện tốt giữa các thành phần được gắn trên khung.
Dựa trên yêu cầu đặt ra và đặc điểm của các vật liệu đã đề cập, vật liệu mica được lựa chọn làm khung đỡ cho toàn bộ hệ thống Kết hợp với các cọc đồng dùng để bắt mainboard, có thể mua với giá rẻ tại các cửa hàng linh kiện máy tính, giúp tạo khoảng cách giữa các tầng một cách dễ dàng và chắc chắn.
Trong hệ thống, tải trọng mang theo có trọng lượng lớn nhất, do đó, việc tính toán và kiểm tra độ bền của tấm mica dưới cùng chịu tải là ưu tiên hàng đầu Phương pháp tính toán dựa trên kiến thức môn Sức bền vật liệu, đặc biệt áp dụng mô hình dầm hai đầu ngàm để đảm bảo độ an toàn và độ bền của cấu trúc Chọn lọc các yếu tố quan trọng này giúp tối ưu hóa thiết kế và tăng tuổi thọ của hệ thống.
Hình 13 minh họa mô hình tính toán của tấm mica đỡ tải, giúp xác định chính xác khả năng chịu lực của cấu kiện Đối với các tấm mica còn lại trong hệ thống, do khối lượng của pin và mạch điều khiển, mạch công suất là không đáng kể so với tải trọng, nên có thể chọn theo kinh nghiệm để tối ưu hóa chi phí Theo ý kiến của tác giả, độ dày các tấm mica này nên nhỏ hơn tấm mica hỗ trợ dưới cùng nhằm giảm chi phí và phù hợp với tải trọng nhẹ.
5 Lựa chọn thông số động cơ:
5.1 Số lượng động cơ: Đối với robot này, chúng ta có hai lựa chọn về số lượng động cơ:
Sử dụng 01 động cơ dẫn động:
• Đơn giản cả về mặt kết cấu lẫn điều khiển (Có thể sử dụng động cơ hai đầu trục để kéo hai bánh xe)
Xe không linh hoạt vì chỉ chạy trên một phương, khiến việc điều hướng gặp khó khăn khi phải chuyển hướng hay đi trên địa hình phức tạp Để xe có thể vận hành trên mặt phẳng và các địa hình đa dạng, cần trang bị cấu vi sai, giúp hai bánh xe quay ở vận tốc khác nhau khi vào cua, tăng khả năng vượt địa hình Ngoài ra, hệ thống cơ cấu đánh lái với động cơ servo cũng phải được tích hợp để điều hướng chính xác, nâng cao tính linh hoạt và hiệu quả của xe trong mọi điều kiện đường xá.
Gá đặt hai bánh xe phức tạp do sử dụng động cơ hai đầu trục đòi hỏi phải có trục nối dài và cụm ổ đỡ phù hợp để đảm bảo tối ưu hóa hiệu suất hoạt động Việc lắp đặt này giúp truyền động chính xác và ổn định cho hệ thống, đảm bảo sự hoạt động liên tục và bền bỉ của các bánh xe trong các điều kiện khác nhau Chọn lựa các bộ phận phù hợp với cấu trúc hệ thống là yếu tố quan trọng để duy trì hiệu suất tối đa và giảm thiểu trục trặc kỹ thuật.
Sử dụng 02 động cơ dẫn động:
• Linh hoạt: có thể hoạt động trên mặt phẳng (khi vào cua chỉ cần điều khiển hai động cơ chạy tốc độ khác nhau.)
• Gá đặt dễ dàng: chỉ cần gá đặt hai động cơ lên khung, hai bánh xe sẽ được cố định trực tiếp lên trục động cơ.
Việc điều khiển robot phức tạp hơn đòi hỏi phải quan tâm đến nhiều yếu tố để đảm bảo hoạt động hiệu quả Một trong những yếu tố quan trọng là đồng bộ tốc độ giữa hai động cơ, giúp robot di chuyển thẳng một cách chính xác Đồng thời, việc kiểm soát chính xác vận tốc động cơ khi vào cua cũng đóng vai trò then chốt trong việc duy trì hướng đi ổn định và kỹ thuật điều khiển chính xác hơn.
Để đảm bảo an toàn và hiệu quả vận hành, cần kiểm tra các sai số quan trọng như độ đồng trục của hai bánh xe và hai động cơ để đảm bảo chúng hoạt động chính xác Ngoài ra, việc xác định điều kiện tiếp xúc giữa hai bánh xe với mặt đường là rất cần thiết, đặc biệt xem xét xem bánh xe có bị nghiêng hay không, nhằm duy trì độ bám đường tối ưu và tránh các vấn đề về vận hành sai lệch.
Dựa trên yêu cầu của robot và phân tích ưu nhược điểm của hai phương pháp, người viết chọn sử dụng hai động cơ do cấu trúc đơn giản, thiết bị sẵn có Phương pháp này mang lại lợi ích về độ dễ thi công và tiết kiệm chi phí Những nhược điểm của giải pháp này có thể được khắc phục nhờ ứng dụng hợp lý kiến thức kỹ thuật đã học Lựa chọn này giúp đảm bảo hiệu quả vận hành của robot, đồng thời tối ưu hóa nguồn lực và thời gian thi công.
Các loại bánh xe phổ biến trên thị trường gồm:
- Bánh xe đa hướng (bánh mắt trâu):
Hình 14: Bánh xe đa hướng.
Khảo sát sơ bộ có thể thấy không phù hợp cho ứng dụng này do không có trục đầu vào.
- Bánh xe đa hướng (dạng omni):
Hình 15: Bánh đa hướng dạng omni.
Do kết cấu xe sử dụng bánh loại này cần thiết có từ 03 bánh xe trở lên nên không thể áp dụng cho dự án đang thực hiện.
Hình 16 giới thiệu bánh xe V2, loại bánh xe phổ biến trong thực tế với giá cả phải chăng Bề mặt lốp có nhiều vân giúp tăng độ bám trên mặt đường, đảm bảo khả năng vận hành ổn định Đối với điều kiện địa hình phức tạp, có thể lựa chọn bánh xe có nhiều gai để cải thiện khả năng bám đường Trong bài viết, tác giả đề xuất sử dụng bánh xe V2 65 (đường kính ngoài gồm cả lốp là 65 mm) để phù hợp với yêu cầu vận hành.
5.3 Tính toán công suất động cơ:
Lựa chọn phương án module điều khiển (Controller)
Mạch điện Robot tự cân bằng bao gồm các phần chính: mạch cảm biến, mạch điều khiển và mạch lái đồng cơ, tạo nên hệ thống vận hành ổn định và chính xác Các phần này có thể kết nối với nhau bằng hai phương pháp chủ yếu là điều khiển tập trung và điều khiển phân cấp, tùy thuộc vào yêu cầu và mục đích sử dụng của robot Việc lựa chọn phương pháp kết nối phù hợp giúp tăng hiệu quả hoạt động và dễ dàng tùy chỉnh, sửa chữa trong quá trình phát triển.
Hình 17: Điều khiển tập trung
Trong điều khiển tập trung (hình 1), chỉ có một bộ Micro Controller duy nhất đồng thời thực hiện các nhiệm vụ: nhận và xử lý tín hiệu từ cảm biến, nhận và xử lý tín hiệu từ hai encorder, thực hiện chương trình chính, tính giá trị điều khiển và truyền cho hai động cơ. Ưu và nhược điểm:
- Ưu điểm: Hệ cơ sở dữ liệu quá trình thống nhất, tập trung, do vậy có thể thực hiện các thuật toán điều khiển quá trình công nghệ một cách tập trung và thống nhất
Nhược điểm của hệ thống điều khiển tập trung gồm có khả năng gây ra khối lượng tính toán lớn khi đối tượng điều khiển phức tạp hoặc nhiều, dẫn đến các hệ xử lý không đáp ứng kịp yêu cầu Ngoài ra, phương pháp này còn gặp khó khăn trong việc tập trung giá trị đo lường về máy tính điều khiển, gây ra khối lượng dây dẫn lớn, làm tăng chi phí và phức tạp trong công tác bảo trì và sửa chữa Tuy nhiên, cấu trúc điều khiển tập trung thường phù hợp cho các ứng dụng tự động hóa quy mô nhỏ và vừa, vì tính đơn giản, dễ thực hiện và chi phí thấp hơn so với các phương pháp khác.
Hình 18: Điều khiển phân cấp.
Trong hệ thống điều khiển phân cấp, một MCU chính (Master) đảm nhận nhiệm vụ tính toán chính, trong khi các MCU phụ (Slave) thực hiện các tác vụ đặc thù như thu nhận và xử lý tín hiệu từ cảm biến, tính toán vị trí xe truyền cho Master, xử lý tín hiệu từ Encoder và điều khiển động cơ Ưu điểm của phương pháp này là cải thiện hiệu năng hệ thống, phân chia công việc rõ ràng và dễ dàng bảo trì, trong khi nhược điểm bao gồm tăng độ phức tạp trong thiết kế hệ thống và yêu cầu về giao tiếp đồng bộ giữa các MCU để đảm bảo hoạt động chính xác.
Chương trình điều khiển xử lý tín hiệu riêng biệt mang lại nhiều ưu điểm nổi bật, giúp dễ dàng cho tác vụ thiết kế nhóm và sửa đổi, cập nhật mã điều khiển khi phát triển sản phẩm Hệ thống này có khả năng xử lý nhiều tác vụ cùng lúc, từ đó giảm thiểu thời gian lấy mẫu và nâng cao hiệu quả trong quá trình phát triển sản phẩm công nghệ.
Hệ thống điều khiển tự động quy mô trung bình và lớn thường lựa chọn cấu trúc phân cấp, mặc dù tiêu tốn nhiều tài nguyên và nhiều MCU hơn, nhưng mang lại lợi ích vượt trội về khả năng dễ dàng thay thế, sửa chữa khi gặp sự cố và dễ bảo trì Mặc dù chi phí có cao hơn, cấu trúc phân cấp vẫn được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống tự động hiện đại nhờ đáp ứng tốt các yêu cầu về độ tin cậy và bảo trì đơn giản.
Với hệ thống Robot thực hiện quy mô nhỏ ta chọn phương pháp điều khiển tập trung.
2 Phần mềm (lí thuyết điều khiển):
Phương án Lí thuyết Ưu điểm Nhược điểm điều khiển
- Đơn giản - Không giải quyết được vấn đề đạt được đáp ứng quá độ mong
- Loại bỏ được sai số xác lập
1 PI mà không làm thay đổi nhiều muốn (độ vọt lố, hệ số giảm chấn, peak time, settling đến đáp ứng quá độ time…).
- Đơn giản - Không kiểm soát được trực tiếp sai số xác lập.
2 PD - Giúp đạt được đáp ứng quá độ
- Dễ mất ổn định do bộ vi phân mong muốn. khuếch đại nhiễu tín hiệu.
- Giúp đạt được đáp ứng quá độ - Do đây là bộ điều khiển tuyến mong muốn tính nên không thể dùng để
- Đảm bảo được sai số xác lập điều khiển những hệ phi tuyến.
3 PID thỏa mãn cái tiêu chí điều - Không cho ta kết quả điều khiển khiển tối ưu của hệ.
- Không phụ thuộc nhiều vào - Nhiễu ở khâu vi phân (D). phương trình toán của đối - Chỉ áp dụng được cho hệ tượng thống SISO với mỗi bộ PID.
Cả ba bộ điều khiển trên chỉ áp dụng được cho hệ SISO với mỗi bộ điều khiển.
- Có thể áp dụng tốt cho hệ SIMO.
4 Phân bố cực - Giúp cải thiện đáp ứng quá độ - Có nhiều hạn chế khi áp dụng của hệ cho hệ MIMO.
Bài t p Thiêt k h th ng c đi n t ậ ế ệ ố ơ ệ ử - 19-
- Áp dụng được cho hệ SIMO hoặc MIMO vì được thao tác
- Khó khăn trong việc tìm kiếm Điều khiển trên không gian trạng thái. weighting factor thích hợp.
5 tối ưu - Áp dụng được cho hệ phi - Tốn nhiều công sức để thiết
(LQR) tuyến kế do đây là quá trình lặp đi lặp
- Cho ta kết quả điều khiển tối lại để đạt được sự tối ưu. ưu.
Xe hai bánh tự cân bằng cần thực hiện hai chức năng chính: tự cân bằng để duy trì ổn định khi vận hành và di chuyển từ điểm A đến điểm B để đảm bảo hiệu quả giao thông Chức năng tự cân bằng liên quan đến biến đổi góc nghiêng của xe, giúp giữ thăng bằng trong quá trình vận hành, trong khi chức năng di chuyển liên quan đến biến đổi vị trí của xe trên đường, đảm bảo di chuyển linh hoạt và chính xác These features giúp xe hai bánh tự cân bằng hoạt động an toàn, ổn định và tiện lợi trong nhiều điều kiện khác nhau.
Mô hình xe hai bánh tự cân bằng là mô hình SIMO-LTI, trong đó input là momen động cơ và output là góc nghiêng cùng vị trí của xe Tuy nhiên, trong bài viết này, biến vị trí của xe được bỏ qua để đơn giản hóa thành mô hình SISO-LTI Do đó, phương án chọn lựa là sử dụng bộ điều khiển PID để kiểm soát hệ thống hiệu quả.
3 Mô hình hệ thống điều khiển hồi tiếp (PID):
3.1 Giới thiệu phương pháp: Cân bằng bằng cách giảm sai số góc nghiêng của xe.
Bộ điều khiển PID là thiết bị phổ biến nhất trong các hệ thống điều khiển phản hồi, giúp duy trì các biến đổi trong giới hạn mong muốn Nó hoạt động bằng cách tính toán sai số, là hiệu số giữa giá trị đo được và giá trị đặt trước, nhằm xác định mức độ lệch của hệ thống Bộ điều khiển PID điều chỉnh giá trị đầu vào dựa trên sai số này để giảm thiểu sai lệch tối đa, nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống điều khiển.
3.2 Mô hình điều khiển cân bằng: Cân bằng bằng cách giảm sai số góc nghiêng của xe.
Trong hệ thống điều khiển PWM, giá trị PWM được tính dựa trên hệ số KP nhân với sai số Saiso Khi đặt giá trị PWM phù hợp, xe sẽ được điều khiển tiến hoặc lùi để giữ cân bằng Để tối ưu hệ số KP, phương pháp thử sai được sử dụng, nghĩa là chọn KP bắt đầu từ giá trị nhỏ và tăng dần cho đến khi xe dao động quanh điểm cân bằng mà không bị ngã Quá trình này giúp đảm bảo xe hoạt động ổn định trong hệ thống điều khiển.
3.3 Mô hình điều khiển cân bằng kết hợp vận tốc mong muốn:
Với mô hình này, chúng ta bắt đầu bằng cách thiết lập vận tốc mục tiêu là giá trị mong muốn để đạt được hiệu quả kiểm soát tối ưu Tương tự như trong điều khiển cân bằng, việc xác định các đại lượng quan trọng như vận tốc hiện tại và các tham số khác giúp duy trì hệ thống ổn định Việc thiết lập vận tốc mục tiêu chính là bước căn bản để hướng dẫn hệ thống hoạt động chính xác và hiệu quả hơn.
Saisovantoc = Vận tốc mục tiêu – Vận tốc thực tế đo được Gocmuctieu = KV*Saisovantoc Saiso = Gocmuctieu
Hệ số KV là hệ số giúp xe cân bằng nhanh hơn, và KV cũng được lựa chọn theo phương pháp thử sai.
Lựa chọn phương án module điện – điện tử ( Electrical electronics modules)
Phần cứng (Hardware): Có nhiều phương án về lựa chọn phần cứng cho mô hình như: Arduino, Rasbery Pi, PLC, PIC,…
- PIC microcontroller (Peripheral Interface Controller):
+ PIC bao gồm RAM, ROM,CPU, timer, counter, ADC, DAC.
+ Cung cấp các chuẩn giao tiếp CAN, SPI, UART để giao tiếp với các thiết bị ngoại vi khác.
+ Các chân I/O nguồn cấp từ 2 - 6V, tốc độ xử lí khá nhanh, ( PIC16F877 có
33 chân digital I/O), cũng có các interupt(timer0,timer1,…)
+ Giá cả : Hiện tại các dòng PIC cùng với Arduino có giá thấp như nhau.
Robot tự cân bằng yêu cầu hiệu suất cao với khả năng trả về đánh giá và độ chính xác của góc nghiêng theo thời gian thực Trong quá trình lấy mẫu, bo mạch sử dụng bộ xử lý nhanh hơn PIC để xử lý dữ liệu, tính toán điều khiển và xuất tín hiệu một cách hiệu quả Arduino Mega, dựa trên vi điều khiển ATmega328, là lựa chọn phổ biến nhờ khả năng xử lý mạnh mẽ để đáp ứng các nhiệm vụ đòi hỏi yêu cầu cao về hiệu suất.
Arduino Mega nổi bật với hệ thống các ngõ input/output, bao gồm 54 chân digital I/O và 15 chân PWM output giúp xử lý các tín hiệu đa dạng Các cổng giao tiếp như I2C và SPI trên Arduino Mega hoạt động hiệu quả, hỗ trợ kết nối và truyền dữ liệu nhanh chóng giữa các thiết bị Bên cạnh đó, các chân digital còn cung cấp tính năng interrupt, nâng cao khả năng phản hồi trong các dự án tự động hóa và điều khiển thiết bị Với khả năng mở rộng linh hoạt, Arduino Mega là lựa chọn lý tưởng cho các dự án yêu cầu nhiều ngõ I/O, giao tiếp đa dạng và xử lý tín hiệu nhanh chóng.
+ Giá cả : Các mạch Arduino có giá thành thấp và thịnh thành ngoài thị trường.
Hình 23: 2 I/O pins của Arduino Mega.
Trong xe hai bánh tự cân bằng, giá trị quan trọng nhất để duy trì ổn định là góc giữa trục dọc hoặc sàn xe với chiều trọng lực Các loại cảm biến chính được sử dụng để đo lường góc này bao gồm cảm biến đo vận tốc góc và cảm biến gia tốc, đều có vai trò quan trọng trong việc xác định góc tĩnh của xe Việc lựa chọn cảm biến phù hợp giúp nâng cao hiệu quả cân bằng, an toàn và ổn định của xe hai bánh tự cân bằng.
Cảm biến GY-61 Analog Accelerometer ADXL335 được sử dụng để đo gia tốc hướng và độ rung động theo 3 trục x, y, z, giúp xác định chính xác các chuyển động của vật thể Đặc biệt, cảm biến ADXL335 có khả năng đọc dữ liệu qua tín hiệu analog, không qua giao tiếp số, giúp dễ dàng quan sát bằng máy đo hoặc kết nối trực tiếp với các chân analog của bộ điều khiển Đây là lựa chọn lý tưởng cho các dự án đo lường gia tốc và rung động đơn giản và hiệu quả.
Cảm biến Gyro 3 trục L3G4200D đo góc quay của vật thể theo ba trục x, y, z với độ phân giải cao (16 bit) Khả năng đo tốc độ lên tới 2000 độ/giây (dps) giúp cảm biến vận hành ổn định mà không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, vượt trội hơn nhiều loại cảm biến khác trên thị trường hiện nay.
Cảm biến GY-521 6DOF IMU MPU6050 được sử dụng để đo 6 thông số gồm 3 trục góc quay (Gyro) và 3 trục gia tốc hướng (Accelerometer), giúp thu thập dữ liệu chính xác về chuyển động và độ nghiêng Đây là loại cảm biến gia tốc phổ biến nhất trên thị trường hiện nay, với thư viện mã nguồn phong phú và dễ tích hợp, phù hợp cho các dự án điều khiển và đo lường chuyển động trên mọi loại vi điều khiển.
MPU-6050 tích hợp 6 trục cảm biến bao gồm:
- Con quay hồi chuyển 3 trục (3-axis MEMS gyroscope)
- Cảm biến gia tốc 3 chiều (3-axis MEMS accelerometer) Thông số kĩ thuật:
- Chip: MPU-6050 ( 16bit ADC, 16bit data out )
- Giá trị Gyroscapes trong khoảng: +/- 250 500 1000 2000 degree/sec
- Giá trị Acceleration trong khoảng: +/- 2g, +/- 4g, +/- 8g, +/- 16g
SCL Chân SCL trong giao tiếp I2C SDA Chân SDA trong giao tiếp I2C
XDA Chân dữ liệu (kết nối với cảm biến khác)
XCL Chân xung (kết nối với cảm biến khác) AD0 Bit 0 của địa chỉ I2C
2.3 Các bộ lọc xử lí tín hiệu từ cảm biến:
Chúng ta sử dụng hai phép đo góc từ hai nguồn khác nhau: cảm biến gia tốc ảnh hưởng bởi chuyển động ngang đột ngột và cảm biến con quay hồi chuyển bị sai lệch theo thời gian dài, khiến việc đọc dữ liệu trở nên phức tạp Để có được góc đo chính xác và ổn định, cần sử dụng các bộ lọc bổ sung như bộ lọc thông cao trên con quay hồi chuyển và bộ lọc thông thấp trên cảm biến gia tốc, nhằm loại bỏ nhiễu và giá trị không mong muốn Các bộ lọc phổ biến như Butterworth, Bessel, Chebyshev hoặc elliptic thường được sử dụng để xử lý tín hiệu với tần số xác định, nhưng không phù hợp trong trường hợp dùng hai cảm biến để đo cùng một góc vì chúng gây lệch pha hoặc giảm độ lợi ngoài dải tần số mong muốn.
Bộ lọc bổ phụ (complementary filter) giúp kết nối hai tín hiệu từ accelerometer và gyro thành một tín hiệu duy nhất, với ưu điểm là tính toán nhanh, dễ thiết kế, nhưng có nhược điểm là chỉ dựa trên bộ lọc thông cao và thấp, gây lệch pha rõ ràng ở vùng nối tần số Trong khi đó, bộ lọc Kalman là thuật toán tối ưu dùng để ước lượng chính xác các tín hiệu, loại bỏ nhiễu dựa trên thống kê trước đó và các giá trị đo hiện tại, mang lại độ lệch pha gần như không tồn tại và độ lợi tối thiểu cho các tín hiệu không đáng tin cậy Ngoài ra, bộ lọc Kalman còn có khả năng tích hợp nhiều cảm biến đo ở các dải tần khác nhau của cùng một đại lượng vật lý, khiến nó trở thành giải pháp lý tưởng hơn so với các bộ lọc khác.
Trong việc chế tạo robot hai bánh tự cân bằng, động cơ phù hợp là động cơ DC servo vì không yêu cầu độ chính xác cao về tốc độ vòng quay Thay vì sử dụng động cơ bước (step motor), chọn động cơ DC servo giúp đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định, phù hợp với yêu cầu điều khiển của hệ thống cân bằng tự động Điều này góp phần tối ưu hóa khả năng vận hành của robot, đồng thời giảm thiểu chi phí và phức tạp trong quá trình lắp ráp và điều chỉnh.
Hầu hết các động cơ DC hoạt động với cường độ RPM rất cao, có thể đạt từ 1.000 đến 40.000 vòng/phút khi không tải Do đó, để kiểm soát tốc độ phù hợp và ổn định hơn, việc lựa chọn động cơ DC có tích hợp bộ giảm tốc là rất cần thiết trên thị trường Việc sử dụng động cơ DC giảm tốc giúp giảm tốc độ quay, tối ưu hóa hiệu suất và phù hợp với nhiều ứng dụng kỹ thuật khác nhau.
Động cơ DC Servo giảm tốc GA25 V1 là thiết bị chuyên dụng trong các ứng dụng yêu cầu điều khiển chính xác tốc độ, vị trí và chiều quay của động cơ DC Sản phẩm này thường được sử dụng trong các dự án robot như robot mê cung và robot xe hai bánh tự cân bằng nhờ khả năng điều chỉnh chính xác và độ bền cao Với thiết kế giảm tốc hiệu quả, GA25 V1 giúp tối ưu hiệu suất hoạt động và kiểm soát dễ dàng trong các hệ thống tự động hóa và robotics hiện đại.
• Điện áp cấp cho động cơ hoạt động : 3 - 12VDC
• Tốc độ không tải : 320 rpm
• Tỷ số truyền khi qua hộp giảm tốc: 1:34
• Tốc độ có tải : 284 rpm
• Dòng khi có tải : 600mA
• Điện áp cấp cho Encoder hoạt động: 3.3VDC
• Đĩa Encoder 11 xung, hai kênh A-B.
Số xung khi qua hộp giảm tốc: 374 xung.
Hình 27: Động cơ DC Servo Giảm Tốc GA25 V1.
Động cơ DC Servo giảm tốc GA37 V1 là loại động cơ có hộp số và encoder, thường được sử dụng trong các hệ cơ khí yêu cầu độ chính xác cao như xe dò line, xe chạy mê cung, và xe 2 bánh tự cân bằng Sản phẩm này nổi bật với chất lượng và độ bền cao, encoder sử dụng từ trường với lực từ mạnh giúp phản hồi xung chính xác Với hệ thống encoder gồm 2 kênh AB và 11 xung, sau khi giảm tốc, số xung đạt 363 xung mỗi vòng, đảm bảo độ chính xác cao trong điều khiển.
- Điện áp định mức: 12VDC
- Tốc độ động cơ trước hộp số giảm tốc : 10.000RPM
- Tốc độ sau hộp số giảm tốc (trục chính) : 10.000 / 33 = 303RPM
- Encoder: Đĩa từ 11 xung, 2 kênh xung AB.
- Số xung Encoder sau giảm tốc: 11x33 = 363 xung / 1 vòng.
❖ Kết luận: dựa trên yêu câu đề bài ta tính toán được một số thông số cần cho động cơ như sau:
- Moment cần thiết để giữ khung robot không đổ cùng tải: 1,96 (Nm)
- Phù hợp với các thông số đã tính toán.
- Nhỏ gọn, thích hợp để gắn bánh xe V2 (đã chọn)
3.3 Mạch điều khiển động cơ:
Chọn mạch Điều Khiển Động Cơ DC L298 dựa trên các tiêu chí giá thành rẻ, dễ sử dụng và nhỏ gọn, phù hợp để gắn trên robot Mạch L298 là giải pháp tối ưu cho các dự án robot nhờ khả năng điều khiển động cơ hiệu quả với chi phí hợp lý Với thiết kế nhỏ gọn, dễ tích hợp, nó giúp việc điều khiển động cơ trở nên đơn giản và tiện lợi cho các nhà chế tạo robot.
Mạch điều khiển động cơ DC L298 cho phép điều khiển chính xác hai động cơ DC cùng lúc, với dòng tối đa lên tới 2A mỗi động cơ Thiết kế tích hợp diode bảo vệ và IC nguồn 7805 giúp cung cấp nguồn 5V DC ổn định cho các module phụ, lưu ý chỉ sử dụng nguồn cấp dưới 12V DC để đảm bảo hoạt động an toàn và hiệu quả.
Mạch điều khiển động cơ DC L298 dễ sử dụng, chi phí thấp, dễ lắp đặt, là sự lựa chọn tối ưu trong tầm giá.
- IC chính: L298 - Dual Full Bridge Driver
- Điện áp đầu vào: 5~30VDC
- Công suất tối đa: 25W 1 cầu (lưu ý công suất = dòng điện x điện áp nên áp cấp vào càng cao, dòng càng nhỏ, công suất có định 25W).
- Dòng tối đa cho mỗi cầu H là: 2A
- Mức điện áp logic: Low -0.3V~1.5V, High: 2.3V~Vss
Trên thị trường có một số loại pin có thể sạc như: Nickel-Metal Hydride (Ni-
MH), Li-Ion, Li-Po.
Pin Ni-MH là loại pin có mật độ năng lượng cao, cho phép sạc nhanh và tiện lợi Với mức giá phải chăng so với dung lượng và kích thước, pin Ni-MH là lựa chọn kinh tế cho nhiều thiết bị điện tử.
- Pin Li-Ion: là loại pin có mật độ lưu trữ cao hơn Ni-MH, giá thành rẻ, sạc xả được nhiều lần.