tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật lý THUYẾT bộ điều KHIỂN PID và điều KHIỂN bền VỮNG h2h∞

Có một số phương pháp được sử dụng để điều khiển cân bằng cho robot haibánh, đó là: Cân bằng bằng cách sử dụng một bánh đà flywheel như trong cácnghiên cứu bởi Beznos, Gallaspy, Lenskii,

Có một số phương pháp được sử dụng để điều khiển cân bằng cho robot haibánh, đó là: Cân bằng bằng cách sử dụng một bánh đà (flywheel) như trong cácnghiên cứu bởi Beznos, Gallaspy, Lenskii, và Suprapto Cân bằng bằng cách dichuyển tâm trọng lực (COG) như trong các nghiên cứu của Lee & Ham và Jamakita

et al và cân bằng nhờ lực hướng tâm như trong nghiên cứu của Getz và Guo Trongcác phương pháp trên, cân bằng bằng cách sử dụng bánh đà có ưu điểm là đáp ứngnhanh và có thể cân bằng được ngay cả khi robot không di chuyển

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

a Ý nghĩa khoa học:

Ứng dụng các kết quả nghiên cứu lý thuyết, đề tài sẽ xây dựng mô hình vàthiết kế bộ điều khiển cân bằng Rô bốt hai bánh sử dụng vi điều khiển PIC Đề tàiminh chứng tính đúng đắn của hướng nghiên cứu, khẳng định độ tin cậy của các kếtquả nghiên cứu

b Ý nghĩa thực tiễn:

Đề tài tập trung thiết kế một hệ thống giữ thăng bằng cho xe mô tô dựa trênnguyên lý làm việc của con quay hồi chuyển Khi hệ thống được lắp đặt trên xe, nó

có chức năng giữ cho xe cân bằng trong mọi tình huống (đứng yên, chuyển độnghoặc chịu tác động của va đập) Để thực hiện được yêu cầu trên, hệ thống đượctrang bị một bánh đà (fly-wheel) quay với tốc độ cao Sử dụng cảm biến title sensor

để đo góc nghiêng của hệ so với phương thẳng đứng, căn cứ vào góc nghiêng sẽđiều khiển trục của hệ bánh đà (theo một thuật toán điều khiển, ví dụ thuật toánPID) sao cho tạo ra lực cần thiết cân bằng cho hệ

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề

Luận văn là sự kết hợp ý tưởng về cách giữ thăng bằng của con người trênđôi chân và độ cơ động trong di chuyển của các loại xe di chuyển bằng bánh Thôngqua nghiên cứu, ta có thể phần nào nắm bắt những ý tưởng giữ thăng bằng cho cácloại humanoid robot (robot dạng người), cách phối hợp và xử lý tín hiệu tốt nhất từcảm biến

Mô hình là một chiếc xe có hai bánh được đặt dọc trục với nhau (khác với xeđạp là trục của hai bánh xe song song) Trên mô hình sử dụng các cảm biến để đogóc nghiêng của thân xe, vận tốc quay (lật) của sàn xe quanh trục bánh và vận tốc dichuyển của xe so với mặt đất Nhờ các cảm biến này, xe sẽ có thể tự giữ thăng bằng

và di chuyển Với cấu trúc này, trọng tâm của mô hình phải luôn nằm trong vùng đỡcủa bánh xe (supporting area) để có thể thăng bằng khi di chuyển ở mọi bề mặt từđơn giản đến phức tạp

Trong hệ thống các cảm biến, để loại trừ các tín hiệu nhiễu từ hệ thống vànhiễu từ tín hiệu đo, sai số của ngõ ra, đồng thời có thể ước lượng chính xác giá trị

đo trong tương lai của cảm biến cũng như kết hợp các tín hiệu, bộ lọc Kalman đượcnghiên cứu và sử dụng nhằm cho một kết quả tối ưu về tình trạng của xe gồm gócnghiêng, vận tốc quay của xe từ mô hình và các cảm biến thành phần

Nói cách khác, hệ thống xử lý tín hiệu và lọc Kalman là công cụ để biến cáccảm biến đơn giản, giá rẻ thành tập hợp cảm biến có giá trị trong hệ thống Từ cáctín hiệu đo, thông qua một số đại lượng đặc trưng của mô hình (khối lượng, chiềudài, chiều cao vật, đường kính bánh…) ta sẽ tính được momen quán tính nghiêng(lật của mô hình), từ đó đưa ra các giá trị điều khiển phù hợp cho các bánh xe để giữcho mô hình luôn đứng vững hoặc di chuyển với một vận tốc ổn định

1.1.1 Thế nào là xe hai bánh tự cân bằng

1.1.2 Tại sao phải thiết kế xe hai bánh tự cân bằng

1.1.3 Ưu và nhược điểm của xe hai bánh tự cân bằng

1.1.3.1 Ưu điểm

1.1.3.2 Nhược điểm

1.1.4 Tính ứng dụng của xe hai bánh tự cân bằng

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Hiện nay chưa có thông tin cụ thể nào về việc chế tạo xe hai bánh tự cânbằng dùng trên robot cũng như xe hai bánh tự cân bằng ở Việt Nam Nhưng trên thếgiới, ở một vài nước, các kỹ thuật viên và một số sinh viên đã nghiên cứu và cho rađời các dạng xe hai bánh như thế Dưới đây là một số thông tin:

1.2.1 nbot

1.2.2 Balance-bot I

1.2.3 Đại học sư phạm thành phố Hồ Chí Minh

1.2.4 Đại học sư phạm kỹ thuật Hưng Yên (Biclycle Robot)

thiết kế một platform cho mobile robot cũng là một đề tài cần thiết trong lĩnh vực tựđộng hóa ngày nay, nhằm trợ giúp cho trẻ em, người già, vận chuyển hàng hóa,giám sát… trong cuộc sống hàng ngày vốn có nhiều nhu cầu trong việc đi lại và vậnchuyển tại các thành phố lớn.

Về khía cạnh khoa học và công nghệ, mô hình xe hai bánh tự cân bằng thực

sự là một bước đệm quan trọng để có kinh nghiệm trong việc tính toán, mô hình vàchế tạo các robot hai chân (biped-robot, humanoid robot), là đỉnh cao về khoa học

và công nghệ mà các trường đại học trên toàn thế giới mong muốn vươn tới Ngoài

ra, mô hình cũng sẽ là sự bổ sung cần thiết về các giải pháp công nghệ di chuyểncủa các mobile robot 3 bánh, 4 bánh cũng như mobile robot có chân, làm phong phúnhững lựa chọn giải pháp để chuyển động trong không gian cho các robot

Về yếu tố tâm lý con người, mô hình xe hai bánh tự cân bằng thực sự là mộtdấu chấm hỏi lớn cho những người từng thấy hay dùng nó: tại sao có thể di chuyển

và thăng bằng được? Điều này cuốn hút nhu cầu được sử dụng một chiếc xe haibánh tự cân bằng Và đó chính là lý do của sự thành công lớn trên thế giới của môhình xe Lit motor C-1

Vớí những lý do khách quan và nhu cầu thực tế của cuộc sống nhu đã nêu,

đề tài có lẽ có một nhu cầu nhất định trong tình hình hiện nay của Việt Nam cũngnhư toàn thế giới, đề tài sẽ là tiền đề để cho chúng ta phát triển thành sản phầmthương mại hóa đưa vào đời sống cho con người trên thế giới

1.4 Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu của đề tài là xây dựng mô hình và thiết kế bộ điều khiển xe haibánh cân bằng di chuyển trên địa hình phẳng, dựa trên nền tảng lý thuyết mô hìnhcon lắc ngược Khả năng di chuyển cân bằng trên hai bánh làm phương tiện dichuyển hiệu quả và linh động hơn, dễ dàng xoay trở trong điều kiện không gian chậthẹp Trong khuôn khổ 6 tháng thực hiện luận văn, những mục tiêu của đề tài được

đề ra như sau:

1 Tìm hiểu về các loại scooter, nguyên lý cơ bản về cân bằng

2 Trình bày cơ sở lý thuyết về các robot cân bằng và các ứng dụng của nó, cơ

sở lý thuyết về cân bằng robot

3 Thiết kế sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý, tính toán thi công mạch cảm biến vàmạch điều khiển cho Robot

4 Nghiên cứu về thuật toán điều khiển PID và thuật toán điều khiển H2/H∞ số

và thực hiện bộ điều khiển PID số trên vi điều khiển AVR cho robot hai bánh tự cânbằng

5 Xây dựng mô hình hệ thống Robot hai bánh tự cân bằng, lập trình điềukhiển

1.5 Phương pháp nghiên cứu

1.5.1 Xây dựng mô hình lý thuyết

1.5.2 Xây dựng mô hình thực

2.1.5 Tổng hợp 3 khâu-bộ điều khiển PID

2.1.6 Rời rạc hóa bộ điều khiển PID

2.1.7 Các phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID số

2.1.7.1 Phương pháp Ziegler-Nichols

2.1.7.2 Phương pháp Chien-Hrones-Reswick

2.1.7.3 Phương pháp tối ưu modul và phương pháp tối ưu đối xứng

2.1.7.4 Phương pháp tổng hằng số thời gian (Kuhn)

2.1.7.5 Phương pháp tối ưu theo sai lệch bám

2.2 LÝ THUYẾT BỘ ĐIỀU KHIỂN H 2 /H ∞

Điều khiển hỗn hợp H2/H∞ là một kỹ thuật tiên tiến cho việc thiết kế bộ điềukhiển tối ưu và bền vững cho các hệ thống có nhiễu và có thông số thay đổi theothời gian Thuật toán này lần đầu tiên được giới thiệu bởi Bernstein và Haddad, vàsau đó được tiếp tục phát triển bởi nhiều nhà nghiên cứu khác Thiết kế bộ điềukhiển hỗn hợp H2/H∞ là nhằm đạt được cả độ ổn định bền vững và chất lượng điềukhiển tốt, ví dụ độ bám tốt, năng lượng điều khiển nhỏ Mặc dù điều khiển hỗnhợp H2/H∞ là phương pháp điều khiển tiên tiến, tuy nhiên nó không được sử dụngphổ biến như các bộ điều khiển PID và lead-lag do thiết kế phức tạp và bộ điềukhiển thu được thường có bậc cao Vì vậy các bộ điều khiển hỗn hợp H2/H∞ có cấutrúc giảm bậc đã được nghiên cứu nhiều trong vài năm gần đây

Hình 2.17 Hệ điều khiển với nhiễu ngoài và nhiễu trong

dy-

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH VÀ THỰC HIỆN BỘ ĐIỀU KHIỂN PID SỐ TRÊN

VI ĐIỀU KHIỂN PIC 3.1 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐƠN GIẢN CỦA HỆ ROBOT

Hình 3.1 chỉ ra sơ đồ giản lược của robot thể hiện nguyên tắc cân bằng chorobot Trong sơ đồ này ta có các ký hiệu như sau:

γ: góc nghiêng của robot theo phương thẳng đứng

h: chiểu cao tâm trọng lực của robot so với mặt đất

m: trọng lượng toàn robot

α: gia tốc góc của bánh đà

I: mô men quán tính của bánh đà

T: mô men quay tạo ra của bánh đà

P: lực hấp dẫn

Hình 3.1 Sơ đồ đơn giản hệ thống cân bằng robot

Lực hấp dẫn P tạo ra một mô men làm robot có xu hướng đổ xuống, mô mennày được tính theo công thức sau:

M = P.sinγ.h = m.g.h.sinγγ.h = m.g.h.sinγ.h = m.g.h.sinγγ

Gia tốc quay của bánh đà tạo ra một mô men được tính theo công thức sau:

P=mg

γ h

T = I.α

Như vậy, để robot cân bằng ta phải có:

T = M hoặc m.g.h.sinγ.h = m.g.h.sinγγ = I.α

Với góc γ đủ nhỏ, ta có sinγ ~ γ, vì vậy để robot cân bằng cần có:

m.g.h γ = I.α

Hay

I mgh



  (*)

Phương trình trên thể hiện mối quan hệ giữa gia tốc góc của bánh đà và gócnghiêng của robot Điều đó có nghĩa là ta có thể điều khiển góc nghiêng của robotbằng cách điều khiển gia tốc của bánh đà

Để điều khiển gia tốc của bánh đà, ta sử dụng một động cơ DC, sơ đồ khối

giản lược của robot được thể hiện như hình 3.2 Trong đó V là điện áp đặt lên động

cơ DC

Hình 3.2 Sơ đồ đơn giản của robot

Với động cơ DC, ta có các phương trình động học sau:

.

.

Ki I di

Biến đổi các phương trình trên ta nhận được hàm truyền của động cơ DC:

Từ hàm truyền (***), có thể thấy rằng ta có thể điều khiển góc nghiên của

robot γ (đầu ra) bằng cách điều khiển điện áp V (đầu vào) đặt lên động cơ DC Hàm

truyền (***) gọi là hàm truyền vòng hở của robot (khi chưa có bộ điều khiển).Nhiệm vụ là phải thiết kế một bộ điều khiển để giữ cho robot thăng bằng, có nghĩa

là giữ cho góc γ (đầu ra) bằng không

3.2 SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Hình 3.3 Sơ đồ khối điều khiển 3.3 NGHIÊN CỨU CÁC CẢM BIẾN SỬ DỤNG VÀO ỨNG DỤNG CÂN BẰNG

3.3.1 Cảm biến Accelerometer ADXL345

ADXL345 rất nhỏ gọn, điện năng tiêu thụ thấp, điện áp sử dụng 3,3v Đây làthiết bị để đo gia tốc 3 trục với độ phân giải 13 bit và độ nhạy lên đến ±16 g, dữ liệu

ra dạng số có thể truy cập theo chuẩn SPI (3 hoặc 4 dây) hoặc được sử dụng quagiao thức truyền thông nối tiếp I2C ADXL345 rất thích hợp cho ứng dụng thiết bị

di động Nó được ứng dụng trong các đề tài đo góc nghiêng cũng như để xác địnhgia tốc của chuyển động Nó có độ phân giải cao (3,9mg/LSB) cho phép đo chínhxác ngay cả khi góc nghiêng nhỏ hơn 10

Cảm biến được cung cấp một số chức năng đặc biệt Quá trình hoạt động vàphát hiện góc nghiêng được sử dụng bất kì trên trục nào do người dùng quy định.Tín hiệu đầu ra có thể được nhân đôi thông qua 2 chân ngắt ngoài Cảm biển có thểkhông hoạt động nếu 2 chân này không hoạt động ADXL được tích hợp chế độ tiếtkiệm điện thông minh, sử dụng điện áp thấp Được đóng gói với kích thước (3*5*1)

- Giao tiếp I2C

và gyro, người ta thường dùng các bộ lọc trung bình, lọc bổ phụ thông tầncomplementary, lọc thích nghi – bộ lọc Kalman và các dạng lọc khác

Hình 3.16 Cơ bản về bộ lọc 3.3.3.1 Lọc bổ phụ thông tần

3.3.3.2 Lọc thích nghi – Bọ lọc Kalman

3.4 THIẾT KẾ MẠCH

3.4.1 Khối nguồn

Hình 3.21 Khối nguồn Nguyên lý hoạt động:

Mạch nguồn sử dụng 2 IC MIC 5205 & MIC 5203(dòng max 150mA) để tạonguồn 5v cho chip AVR328p và 3.3 v cho 2 cảm biến gia tốc và vận tốc góc.

Nguồn 12v được đưa vào chân 1 của 2 IC nguồn 5v và 3,3v Đầu ra và đầuvào của 2 IC đều có các tụ để lọc nguồn

Bộ nguồn dùng 3 bình ắc quy 12v có 2 bình được nối tiếp với nhau tươngđương 24V để cấp cho mạch công suất Ắc quy còn lại cung cấp nguồn riêng chomạch điều khiển

3.4.2 Khối CPU

Hình 3.22 Khối CPU Nguyên lý hoạt động:

Mạch CPU được cấp nguồn 5V và dùng thạch anh dao động 16MHz ChânC4,C5 là 2 chân giao tiếp I2C đọc giá trị từ cảm biến gia tốc và vận tốc góc D0, D1

là chân RXD và TXD giao tiếp máy tính Đèn status được nối vào chân B0 để báohiệu CPU đang hoạt động, chân D5, D6 xuất tín hiệu pwm điều khiển động cơ

3.4.3 Khối cảm biến gia tốc góc và vận tốc góc

Hình 3.23 Khối cảm biến gia tốc và vận tốc góc Nguyên lý hoạt động

Trong mạch sử dụng cảm biến gia tốc ADXL345 và cảm biến vận tốc gócITG3200, cả 2 cảm biến đều sử dụng nguồn nuôi 3,3V và cùng chuẩn giao tiếp I2C.Các chân SDA và SCL của cả 2 cảm biến lần lượt được nối chung với nhau và đượcnối vào chân SDL và SDA của CPU AVR328P

3.4.4 Khối chuyển đổi điện áp cho giao tiếp I2C

Hình 3.24 Khối chuyển đổi điện áp I2C

Nguyên lý hoạt động:

Cùng là chuẩn giao tiếp I2C nhưng mức điện áp giao tiếp lại khác nhau, mộtbên cảm biến chạy nguồn 3,3v còn CPU lại chạy nguồn 5v nên IC PCA9306 được

sử dụng để giải quyết vấn đề nói trên

3.4.5 Khối công suất điều khiển động cơ

Hình 3.25 Khối công suất điều khiển động cơ Nguyên lý hoạt động:

Tín hiệu pwm từ mạch điều khiển được đưa đến điều khiển mạch cầu Hthông qua cách ly quang PC817(để đảm bảo an toàn cho mạch điều khiển)

Mạch cầu H sử dụng 2 cặp MOSFET IRF 540 và IRF 9540 Các MOSFETloại này chịu dòng khá cao 30A và điện áp cao nhưng có nhược điểm là điện trở dẫntương đối lớn Phần kích cho các MOSFET kênh N phía dưới thì không quá khó chỉcần lấy trực tiếp tín hiệu sau PC817 Riêng MOSFET kênh P phía trên phải dùngthem C828 để làm mạch kích Khi chưa kích BJT C828, chân G của MOSFET đượcnối lên 12v bằng điện trở 10K, điện áp chân G vì thế gần bằng 12v cũng là điện áp

chân S của IRF9540 nên MOSFET này không dẫn Khi kích cácR9, R10, các BJTC828 dẫn làm điện áp chân G của IRF9540 sụt xuống gần bằng 0V (vì khóa C828đóng mạch) Khi đó, điện áp chân G nhỏ hơn nhiều so với điện áp chân S, MOSFETdẫn Các MOSFET sẽ dẫn theo nguyên tắc chéo nhau.

Hình 3.26 Vùng hỗ dẫn của MOSFET

MOSFET có một lớp mỏng silicon dioxide, là lớp cách ly để ngăn ngừa cực

G dương và cực âm chạm nhau Lớp cách ly này mỏng có thể dùng để kiểm soátcực D Và cũng vì lớp cách ly này quá mỏng nên dễ dàng bị phá hủy bởi nguồn điện

và nguồn Điện áp zener thấp hơn giá trị VGS Do đó, diode zener dẫn trước khi đặtgiá trị VGS mà có thể gây nguy hiểm cho lớp cách ly mỏng Bất lợi của những

diode zener bên trong là chúng làm giảm tổng trở ngõ vào cao của MOSFET Vìnhững MOSFET đắt tiền dễ dàng bị hỏng nếu không được zener bảo vệ nên các làmnày được đánh giá cao trong ứng dụng Do vậy, những thiết bị MOSFET rất tinh tếnhưng lại dễ dàng bị hư hỏng

Hầu hết các MOSFET ở vùng ohmic Khi phân cực ở vùng ohmic, giá trị MOSFET bằng với điện trở Khi phân cực ở vùng active nhưng ứng dụng chính của

E-nó là trong vùng ohmic

3.5 THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN BỘ PID SỐ TRÊN VI ĐIỀU KHIỂN PIC 3.5.1 Các bước xây dựng bộ PID kinh điển

Bước 1: Xây dựng mô hình toán học đủ chính xác cho đối tượng điều khiển Đây

còn gọi là bước nhận dạng mô hình

Bước 2: Đơn giản hóa mô hình.

Bước 3: Tuyến tính hóa mô hình.

Bước 4: Chọn bộ điều khiển thích hợp, ví dụ như bộ điều khiển P, PI, PD, hay PID

và xác định các chỉ tiêu chất lượng mà hệ thống cần phải đạt được

Bước 5: Tính toán thông số KP, Ti, Td của bộ điều khiển PID Để thực hiện việc

xác định thông số cho bộ điều khiển PID có rất mhiều phương pháp như kể trên,

trong đó phương pháp thực nghiệm (phương pháp thứ hai của Zeigler- Nichols) là

thông dụng nhất

Bước 6: Kiểm tra bộ điều khiển PID vừa thiết kế bằng cách ghép nối với mô hình

đối tượng điều khiển, nếu kết quả mô phỏng không được như mong muốn, phảithiết kế lại theo các bước từ 2 đến 6 cho đến khi đạt được kết quả mong muốn

Bước 7: Đưa bộ điều khiển PID vừa thiết kế vào điều khiển đối tượng thực và kiểm

tra quá trình làm việc của hệ thống Nếu chưa đạt kết quả yêu cầu, thiết kế lại bộđiều khiển theo các bước từ 1 đến 7 cho đến khi đạt được các chỉ tiêu chất lượngmong muốn