Thiết kế bộ thực nghiệm xe điện, nhận dạng mô hình bánh xe và xây dựng bộ điều khiển phát động ứng dụng với xe điện PET

Đề xuất phương pháp nhận dạng mô hình bánh xe điện bằng thực nghiệm Từ mô hình trên có thể xác định được đặc tính của bánh xe, đặc tính tốc độ còn phụ thuộc vào khối lượng M của xe, phụ

MỤC LỤC

MỤC LỤC……… i

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU………iii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT……… iv

DANH MỤC HÌNH VẼ……….v

LỜI NÓI ĐẦU……… vii

Chương 1 GIỚI THIỆU XE ĐIỆN PET VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN CHO XE PET……… 1

1.1.Xe điện trên thế giới và xe điện ở Việt Nam 1

1.2.Xe điện 3 bánh PET 3

Chương 2 ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG MÔ HÌNH BÁNH XE ĐIỆN BẰNG THỰC NGHIỆM……… 6

2.1 Cơ sở lý thuyết và đặc điểm chuyển động của bánh xe 6

2.1.1 Động lực học bánh xe và khái niệm về sự trượt 6

2.1.2 Xây dựng mô hình động lực học bánh xe 9

2.2 Đề xuất phương pháp nhận dạng thực nghiệm 11

Chương 3 THU THẬP SỐ LIỆU THỰC NGHIỆM VÀXỬ LÝ SỐ LIỆU……… 13

3.1 Thiết kế mạch thu nhận dữ liệu 13

3.1.1 Yêu cầu thu nhận dữ liệu 13

3.1.2 Thiết kế mạch thực nghiệm 13

3.1.3 Thuyết minh nguyên lý 16

3.2 Truyền nhận dữ liệu bằng I2C 16

3.2.1 Giới thiệu sơ lược về I2C 16

3.2.2 Giới thiệu lý thuyết về multi master- slave 17

3.3 Giao tiếp dữ liệu với máy tính và xử lý số liệu 18

3.3.1 Giao tiếp nhận dữ liệu 18

3.3.3 Xử lý tín hiệu-Vẽ đường đặc tính tối ưu 20

3.4 Kết quả đo và xử lý số liệu thực nghiệm 23

Chương 4 NHẬN DẠNG MÔ HÌNH………26

4.1 Phân loại các phương pháp nhận dạng 26

4.2 Các bước tiến hành nhận dạng 28

4.3 Nhận dạng mô hình thực nghiệm bánh xe 30

4.3.1 Câu trúc mô hình tuyến tính có tham số và thuật toán bình phương tối thiểu 30 4.3.2 Nhận dạng mô hình bánh xe trên các mặt đường 32

4.3.3 Mô phỏng và kiểm chứng 39

Chương 5 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHÁT ĐỘNG BÁNH XE XE ĐIỆN

PET………41

5.1 Các vấn đề trong điều khiển xe điện PET 41

5.1.1 Đặc điểm chuyển động và truyền động của xe PET 41

5.1.2 Vần đề tồn tại với bộ điều khiển cũ 41

5.2 Lựa chọn phương pháp điều khiển 43

5.3 Thiết kế bộ điều khiển cho xe điện PET 47

Chương 6 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN………54

6.1 Một số hình ảnh thực tế 54

6.2 Đánh giá kết quả 57

6.3 Định hướng phát triển 57

6.3.1 Nâng cao tính linh hoạt của xe trên nhiều mặt đường khác nhau 57

6.3.2 Nâng cao chất lượng điều khiển 59

6.3.3 Nhận dạng trực tuyến 60

KẾT LUẬN……… 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO……… 62

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU

BẢNG 5-1 PID SỐ DỰA TRÊN ĐÁP ỨNG QUÁ ĐỘ………41 BẢNG 5-2 PID SỐ THEO GIÁ TRỊ TỚI HẠN………42

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

BLCDM Brushless Direct Current Motor Động cơ một chiều không chổi than

DTC Direct Torque Control Phương pháp điều khiển trực tiếp mô-men MFC Model Following Control Điều khiển theo mô hình mẫu

SRC Slip Ratio Control Điều khiển hệ số trượt

ROM Read Only Memory Bộ nhớ chỉ đọc

SDA Serial Data Đường truyền dữ liệu nối tiếp

SDL Serial Clock Đường truyền xung đồng bộ

SISO Single Input Single Output Hệ có một tín hiệu vào và một tín hiệu ra

LS Least Square Bình phương tối thiểu

ML Maximum Likehood Xác xuất cực đại

PEM Prediction Error Method Lỗi dự báo

ARX Auto Regressvive eXternal

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Lịch sử phát triển xe điện trên thế giới 0

Hình 1.2 Xe điện ở Việt Nam 2

Hình 1.3 Xe điện PET 3

Hình 2.1 Chuyển động thẳng của xe trên dốc [4] 6

Hình 2.2 Mô hình 1 bánh [4] 7

Hình 2.3 Quan hệ µ-λ 1

Hình 2.4 Mô hình bánh xe [13] 1

Hình 2.5 Sơ đồ mô phỏng mô hình lý thuyết bánh xe 10

Hình 2.6 Đặc tính của mô hình bánh xe 11

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý khối thu nhận dữ liệu 15

Hình 3.2 Start – Stop conditions 1

Hình 3.3 Khung truyền dữ liệu I2C 1

Hình 3.4 Cấu hình 2 Master trong mạng 1

Hình 3.5 Giao tiếp qua cổng nối tiếp RS 232 1

Hình 3.6 Phần mềm thu nhận dữ liệu 1

Hình 3.7 So sánh độ mịn 1

Hình 3.8 So sánh độ trễ pha 1

Hình 3.9 Tốc độ bánh trái trên đường nhựa 23

Hình 3.10 Tốc độ bánh phải trên đường nhựa 23

Hình 3.10 Tốc độ bánh trái trên đường lát gạch 24

Hình 3.11 Tốc độ bánh phải trên đường lát gạch 24

Hình 3.12 Tốc độ bánh trái trên đường bê tông 25

Hình 3.13 Tốc độ bánh phải trên đường bê tông 25

Hình 4.1 Nhận dạng vòng kín 1

Hình 4.2 Sơ đồ kiểm nghiệm 1

Hình 4.3 Sơ đồ một hệ thống SISO 1

Hình 4.4 Tín hiệu vào và tín hiệu ra của mô hình vòng kín tốc độ bánh phải 1

Hình 4.5 Nhận dạng với lớp mô hình tuyến tính có tham số 1

Hình 4.6 Kết quả nhận dạng với các cấu trúc mô hình tuyến tính 1

Hình 4.7 Độ chính xác của các phép nhận dạng 1

Hình 4.8 Đồ thị đặc tính đối tượng 1

Hình 4.9 Kết quả nhận dạng cho mặt đường bê tông 37

Hình 4.10 Kết quả nhận dạng cho mặt đường lát gạch 38

Hình 4.11 Mô phỏng kiểm chứng ở tốc độ đặt 150 vòng /phút 1

Hình 4.12 Mô phỏng kiểm chứng ở tốc độ đặt 100 vòng/phút 40

Hình 5.1 Đáp ứng tốc độ trên các mặt đường khác nhau 1

Hình 5.2 Cấu trúc điều khiển hệ SISO trên miền thời gian gián đoạn 1

Hình 5.3 Đáp ứng quá độ 46

Hình 5.3 Sơ đồ mô phỏng 49

Hình 5.4 Các đáp ứng quá độ ứng với bộ điều khiển cũ và độ điều khiển mới 49

Hình 5.5 Đáp ứng trên miền tần số 50

Hình 5.6 Kết quả thực tế ứng với bánh xe phải khi xe chạy trên đường nhựa 51

Hình 5.7 Kết quả thực tế ứng với bánh xe phải khi xe chạy trên đường bê tông 52

Hình 5.8 Kết quả thực tế ứng với bánh xe phải khi xe chạy trên đường lát gạch 52

Hình 6.1 Kiểm tra mạch trước khi tiến hành thử nghiệm 54

Hình 6.2 Cho xe chạy trên đường nhựa để lấy số liệu 54

Hình 6.3 Xe chạy trên đường lát gạch trơn 55

Hình 6.4 Lấy các dữ liệu đo và trong máy tính 55

Hình 6.5 Thử nghiệm xe với bộ điều khiển cũ và bộ điều khiển mới 56

Hình 6.6 Kiểm tra sự linh hoạt của xe với bộ điều khiển mới 56

Hình 6.7 Đường đặc tính trung bình 58

Hình 6.8 Phương pháp MFC [13] 59

Hình 6.9 Phương pháp MFC 60

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây, việc giá nhiên liệu tăng cao cùng với sự ô nhiễm môi trường do các phương tiện sử dụng nhiên liệu gây ra đã khiến thế giới phải đánh giá lại việc sử dụng nhiên liệu sao cho hiệu quả cũng như tìm ra các giải pháp sử dụng các nguồn năng lượng khác rẻ hơn, thân thiện với môi trường Cùng với các nhà máy, xí nghiệp thì khí thải từ các phương tiện giao thông là những thủ phạm chính gây nên hiện tượng ô nhiễm môi trường Mặc dù vấn đề này đã được đề cập từ rất lâu nhưng cả thế giới vẫn chưa có hướng giải quyết hợp lý vì cho tới nay thì động cơ đốt trong vẫn là lựa chọn đầu tiên cho các phương tiện đi lại Nhưng những năm gần đây khoa học kỹ thuật phát triển, các phương tiện giao thông sử dụng năng lượng sạch đã có những bước tiến lớn và được rất nhiều nước phát triển trên thế giới nghiên cứu làm định hướng thay thế cho xe sử dụng động cơ đốt trong

Khoảng vài năm trở lại đây, nhiều mẫu xe điện ở Việt Nam đã ra đời, có mẫu thì đã ứng dụng vào thực tế, có những mẫu xe điện là tiền đề cho bước phát triển xe ô tô điện ở Việt Nam và xe điện PET của trường đại học Bách Khoa Hà nội là một điển hình Được các sinh viên Tự Động Hóa K49 nghiên cứu và phát triển, xe PET đã gây được sự chú ý của mọi người dân và nhất là khẳng định thêm rằng Việt Nam hoàn toàn có thể phát triển

xe điện

Là phiên bản đầu tiên nên xe PET vẫn còn nhiều điểm tồn tại cần khắc phục, kế thừa

kết quả của các sinh viên K49, nhóm sinh viên EV K50 chúng em đề xuất đề tài “Thiết

kế bộ thực nghiệm xe điện, nhận dạng mô hình bánh xe và xây dựng bộ điều khiển phát động ứng dụng với xe điện PET” nhằm mục đích khắc phục những nhược điểm

còn tồn tại của xe điện PET, tạo tiền đề ứng dụng thực tế cho xe cũng như mục tiêu phát triển xe điện ở Việt Nam

Toàn bộ đề tài được thực hiện trong khoảng thởi gian 5 tháng dưới sự hướng dẫn của thầy giáo, PGS-TS Tạ Cao Minh và thầy giáo Nguyễn Duy Đỉnh Nội dung đồ án được chia thành 6 chương Chương 1: Giới thiệu xe điện PET và các vấn đề phát triển cho xe PET Chương 2: Xuất phát điểm của đề tài và đề xuất phương pháp nhận dạng thực nghiệm bánh xe điện Từ chương 3 đến chương 5 là quá trình thực hiện bao gồm các bước thu thập số liệu, nhận dạng mô hình thực nghiệm bánh xe và xây dựng bộ điều khiển cho đối tượng đã nhận dạng Cuối cùng là chương 6: đánh giá các kết quả đạt được

và nêu các định hướng phát triển

Do thời gian không có nhiều, cũng như kiến thức còn hạn chế, đề tài được thực hiện nhiều bằng thực nghiệm nên sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Vì thế nhóm em rất mong nhận được những lời góp ý, hướng dẫn của các thầy cô để nhóm chúng em khắc phục nhưng tồn tại của bản đồ án và tạo tiền đề phát triển xe PET nói riêng và xe điện nói chung

Hà Nội, ngày 31 tháng 05 năm 2010

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Hải Dương

Chương 1 Giới thiệu xe điện PET và định hướng phát triển cho xe PET

Chương 1 GIỚI THIỆU XE ĐIỆN PET VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT

TRIỂN CHO XE PET 1.1 Xe điện trên thế giới và xe điện ở Việt Nam

Xe điện trên thế giới đã có 1 lịch sử lâu đời tình từ chiếc xe đầu tiên xuất hiện vào khoảng năm 1832 Trải qua rất nhiều thăng trầm cùng với sự thống trị của xe sử dụng động cơ đốt trong cho đến tận bây giờ nhưng với tình hình nhiên liệu đang một ngày cạn dần cộng với sự ô nhiễm môi trường do xe sử nhiên liệu gây ra, xe điện đang dần khẳng định được tính ưu việt và đồng thời được cả thế giới đánh giá là chiếc xe của tương lai Hiện nay, rất nhiều nước phát triển trên thế giới đã chọn và tập trung nghiên cứu phát triển xe điện, trong đó phải kể tới Mỹ, Đức, Nhật…các cường quốc trong lĩnh vực sản xuất ô tô Có thể nói xe điện đang bước vào giai đoạn phát triển mạnh mẽ nhất từ trước đến nay Hình vẽ 1.1 phản ánh chặng đường phát triển của xe điện trên thế giới

Còn đối với Việt Nam, hiện nay chúng ta chưa có một định hướng phát triển cụ thể cho xe điện, ngay cả việc làm chủ công nghệ xe ô tô truyền thống chúng ta cũng còn gặp

Hình 1.1 Lịch sử phát triển xe điện trên thế giới

Chương 1 Giới thiệu xe điện PET và định hướng phát triển cho xe PET

rất nhiều khó khăn Có thể giải thích do điều kiện kinh tế, khoa học kỹ thuật chưa thực sự phát triển Tuy nhiên, Việt Nam có cơ hội tiếp xúc với khoa học kỹ thuật tiên tiến trên thế giới, do đó dù gặp khó khăn nhưng những chiếc xe sử dụng điện đã được nghiện cứu và xuất hiện ở Việt Nam trong những năm gần đây Trong số nhưng chiếc xe đầu tiên có thể

kể tới: Xe điện 3 bánh của tác giả Trần Văn Tâm, xe lăn điện của trường đại hoc Bách Khoa TP HCM, và xe PET của trường đại học Bách Khoa Hà nội

Chương 1 Giới thiệu xe điện PET và định hướng phát triển cho xe PET

nghiên cứu bài bản của các trường đại học kỹ thuật ở Việt Nam Xe điện PET (Personal Electrical Transporter) là một trong những kết quả bước đầu trong lĩnh vực xe điện

1.2 Xe điện 3 bánh PET

Được các sinh viên K49 bộ môn Tự Động Hóa khoa Điện đại học Bách Khoa Hà nội nghiên cứu và chế tạo, xe điện PET nhanh chóng gây được sự chú ý của những người quan tâm đến lĩnh vực xe chạy bằng điện Mới chỉ là kết quả nghiên cứu bước đầu nhưng

xe PET được thiết kế một cách gọn gàng, tiện dụng và nhất là hướng tới những người tàn tật, người già giúp họ có thể chủ động hơn trong việc di chuyển và đi lại

Hình 1.3 dưới đây là hình ảnh của xe điện PET

Chương 1 Giới thiệu xe điện PET và định hướng phát triển cho xe PET

• Sử dụng động cơ BLDC liền bánh (InWheel Motor), công suất 350W mỗi động

cơ

• Ắc quy 36V gồm 3 ắc quy 12V 12Ah, có thể chạy xe liên tục trong 2-3 tiếng

• Điều khiển xe bằng tay cầm (Joystick)

• Có phanh điện và cơ

• Xe mới chỉ chạy tốt trên đường nhựa

• Khởi động chưa êm, và có hiện tượng hơi giật

• Chưa linh hoạt trong không gian hẹp

• Gặp chướng ngại vật xe dễ bị lắc

Trên cơ sở kế thừa kết quả của nhóm sinh viên EV (Electrical Vehicle) K49, nhóm sinh viên EV K50 tiếp tục phát triển đề tài nghiên cứu về xe điện, phát triển xe điện PET Việc phát triển xe điện PET được tiến hành tứng bước, trước hết phải khắc phục những nhược điểm của xe điện PET, điều đó cũng chính là mục tiêu của nhóm khi thực hiện đồ

án này

- Mục tiêu thực hiện đồ án :

• Xe chạy tốt trên nhiều mặt đường khác nhau

Chương 1 Giới thiệu xe điện PET và định hướng phát triển cho xe PET

Để thực hiện các mục tiêu đã đặt ra nhóm EV K50 đề xuất thực hiện đề tài: “Thiết kế mạch thực nghiệm và nhận dạng mô hình bánh xe cho xe điện PET” Đề tài xuất phát

từ những nguyên nhân dẫn đến các nhược điểm của xe PET, đề xuất phương pháp khắc phục và tiến hành thử nghiệm thực tế với xe PET và cuối cùng đánh giá kết quả và tính đứng đắn của hướng thực hiện

Các chương tiếp theo sẽ lần lượt giải quyết các vấn đề: Thứ nhất là nguyên nhân dẫn đến các nhược điểm của xe Thứ hai là hướng khắc phục các nhược điểm với đề xuất nhận dạng mô hình bánh xe bằng thực nghiệm Thứ ba là các bước thực hiện và kiểm nghiệm kết quả thực tế

Chương 2 Đề xuất phương pháp nhận dạng mô hình bánh xe điện bằng thực nghiệm

2.1 Cơ sở lý thuyết và đặc điểm chuyển động của bánh xe

2.1.1 Động lực học bánh xe và khái niệm về sự trượt

Để phân tích chuyển động của xe chạy thẳng trên đường, ta hãy xét trường hợp một chiếc xe có khối lượng M, chạy thẳng lên dốc nghiêng góc α ở tốc độ v và gia tốc a như hình 2.1

Chương 2 Đề xuất phương pháp nhận dạng mô hình bánh xe điện bằng thực nghiệm

- Lực lên/xuống dốc: Pt

Để đơn giản hóa việc giải quyết bài toán điều khiển chuyển động, người ta thường dung mô hình xe quy về một bánh như hình 2.2

Hình 2.2 Mô hình 1 bánh [4]

- M là phần khối lượng mà xe tác dụng lên bánh

- J là mô men quán tính của bánh xe

- r là bán kính bánh xe

- N là phản lực mặt đường tác dụng lên điểm tiếp xúc với bánh xe

- Fm là lực phát động bánh xe tác dụng lên mặt đường

- Fd là lực ma sát do mặt đường tác dụng lên bánh xe

Trong quá trình xe tăng, giảm tốc lực cản không khí Fad và lực ma sát lăn Fr có thể coi là vô cùng nhỏ so với lực quán tính và lực ma sát trượt nên ta có thể bỏ qua sự ảnh hưởng của chúng khi xét động lực học bánh xe Ta có các phương trình mô tả chuyển động của xe và bánh xe:

−

trong đó, ω và Vω là tốc độ góc và tốc độ dài của bánh xe

Trên thực tế, khi xe tăng tốc, do quán tính của bánh xe nhỏ hơn nhiều so với quán tính của thân xe cho nên nếu lực ma sát không đủ, bánh xe sẽ có gia tốc lớn hơn gia tốc của

Chương 2 Đề xuất phương pháp nhận dạng mô hình bánh xe điện bằng thực nghiệm

thân xe, làm cho vận tốc của bánh xe Vω tăng nhanh trong khi vận tốc dài V của xe tăng chậm hơn Khi đó, bánh xe gọi là bị trượt trên mặt đường Điều tương tự cũng xảy ra khi

ma sát trượt vào điều kiện mặt đường và hệ số trượt λ như hình 2.3

Chương 2 Đề xuất phương pháp nhận dạng mô hình bánh xe điện bằng thực nghiệm

μ = − 1, 05k e( − λ 45 − e − 0,45 λ) (tăng tốc) (2-6)

μ = 1,1k e( 35λ − e 0,35λ) (giảm tốc) (2-7)

Trong đó, k là hệ số bám đặc trưng cho điều kiện mặt đường:

k = 1 : đường nhựa k = 0,5: đường ướt

k = 0,7: đường sỏi k = 0,2: đường băng tuyết

Các nghiên cứu chỉ ra rằng, vùng điều khiển chuyển động tối ưu là vùng tuyến tính (λ

= 0,02 ÷ 0,15) trong đặc tính µ-λ hình 2.3 [13] Hình 2.3 cũng cho thấy, khi xe chạy trên

đường nhựa, hệ số ma sát, và do đó, lực ma sát lớn, làm cho bánh xe bám tốt vào mặt đường; tuy nhiên, ở đường băng, hệ số ma sát nhỏ hơn nhiều Nếu ta vẫn giữ gia tốc như

cũ, nghĩa là mô men lớn trong khi lực ma sát nhỏ, từ phương trình (2-2) và (2-3) ta thấy, bánh xe sẽ có gia tốc lớn trong khi xe có gia tốc nhỏ Điều này làm cho hệ số trượt λ tăng vượt ra ngoài khoảng an toàn, gây ra sự trượt cho bánh xe

Rõ ràng trượt là hiện tượng không tốt, gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng như mất lái, mòn lốp, lãng phí công suất động cơ, … cho nên, chống trượt là vấn đề được quan tâm hàng đầu trong các nghiên cứu về điều khiển chuyển động xe, bất kể là xe điện hay xe chạy động cơ đốt trong

2.1.2 Xây dựng mô hình động lực học bánh xe

Từ các phương trình (2-1) đến (2-7) ta xây dựng được mô hình bánh xe như hình 2.4

Hình 2.4 Mô hình bánh xe [13].

Chương 2 Đề xuất phương pháp nhận dạng mô hình bánh xe điện bằng thực nghiệm

Từ mô hình trên có thể xác định được đặc tính của bánh xe, đặc tính tốc độ còn phụ thuộc vào khối lượng M của xe, phụ thuộc vào Momen quán tính của bánh xe J, phụ thuộc vào công thức thực nghiệm giữa hệ số trượt λ và hệ số ma sát µ Việc giả định các tham số trên đã biết ta hoàn toàn có thể khảo sát đặc tính của mô hình bằng Matlab Simulink Hình 2.5 là sơ đồ mô phỏng, với hệ sộ mặt đường Road Conditions bằng 1, hệ

số ma sát µ được tính bằng công thức 2-6 và 2-7

Hình 2.5 Sơ đồ mô phỏng mô hình lý thuyết bánh xe

Đầu vào của đối tượng là momen đặt, đầu ra là vận tốc của bánh xe Với một momen đủ lớn thì vận tốc bánh xe sẽ tăng cho đến khi đạt vận tốc tới hạn

Chương 2 Đề xuất phương pháp nhận dạng mô hình bánh xe điện bằng thực nghiệm

Hình 2.6 Đặc tính của mô hình bánh xe

2.2 Đề xuất phương pháp nhận dạng thực nghiệm

Khảo sát đặc tính động học của mô hình lý thuyết với các tham số được giả định như điều kiện mặt đường, khối lượng của xe không đổi trong quá trình chuyển động, cũng như coi momen quán tính của bánh xe là một đại lượng đã biết Từ việc giả định như vậy tiến hành mô phỏng và có thể xác định được sách lược điều khiển cho mô hình lý thuyết tuy nhiên khi áp dụng bộ điều khiển dựa trên mô hình lý thuyết vào thực tế thì kết quả thu được sai khác so với tính toán và mô phỏng dẫn đến các nhược điểm của xe PET đã trình bày ở chương đầu tiên Lý do trong thực tế thì khối lượng xe luôn thay đổi trong quá trình vận hành, việc đo vận tốc xe bằng ước lượng từ công thức (2-1) mà không sử dụng cảm biến cũng tạo ra sai khác trong thực tế Đó là chưa kể tới trong quá trình mô hình ta đã bỏ qua các ảnh hưởng của khí động học, lực ma sát lăn….Và cuối cùng sử dụng chung một

bộ điều khiển cho hai bánh xe cũng dẫn đến sai khác lí do đặc tính hai bánh xe không hoàn toán giống nhau

Khi thực hiện mô hình hóa cho một đối tượng, người ta đã kết luận rằng phương pháp

mô hình hóa tốt nhất là kết hợp giữa mô hình hóa lý thuyết và mô hình hóa thực nghiệm

Dựa trên cơ sở đó nhóm em đề xuất “Phương pháp nhận dạng mô hình bánh xe điện bằng thực nghiệm” Tiến hành cho xe chạy thực tế trên đường và đo các dữ liệu thực

nghiệm thì các dữ liệu đo được sẽ phản ánh đầy đủ các ảnh hưởng của mọi tham số tác động Tổng hợp các dữ liệu đo được vào máy tính và sử dụng để nhận dạng thì ta có thể

Chương 2 Đề xuất phương pháp nhận dạng mô hình bánh xe điện bằng thực nghiệm

thu được một mô hình đã hàm chứa các ảnh hưởng của tham số Để tiến hành nhận dạng nhóm em sẽ thực hiện các công việc sau:

- Thiết kế mạch thu nhận dữ liệu

- Nhận dữ liệu vào máy tính và xử lý lọc nhiễu

- Tìm hiểu lý thuyết nhận dạng, đưa ra phương pháp nhận dạng phù hợp

Nội dung của việc tiến hành nhận dạng sẽ được trình bày ở 2 chương tiếp theo

Chương 3 Thu thập số liệu thực nghiệm và xử lý số liệu

Chương 3 THU THẬP SỐ LIỆU THỰC NGHIỆM VÀ

XỬ LÝ SỐ LIỆU 3.1 Thiết kế mạch thu nhận dữ liệu

3.1.1 Yêu cầu thu nhận dữ liệu

Khi xe đang chuyên động trên đường hay các quá trình chuyển hướng cần thu nhận các tín hiệu vận tốc của động cơ, dòng điện, momen…để phục vụ cho việc phân tích và xây dựng mô hình

Do thu nhận được càng nhiều dữ liệu và tín hiệu thu được càng nhanh càng có lợi cho việc xây dựng mô hình được chính xác, và quá trình xử lý dữ liệu được tách rời với quá trình đo do đó nhóm em lựa chọn phương án ghi dữ liệu ra bộ nhớ ngoài trong toàn bộ quá trình thu dữ liệu Sau đó mới truyền các dữ liệu từ bộ nhớ ngoài lên máy tình phục vụ cho quá trình xử lý và xây dựng các đường đặc tính

3.1.2 Thiết kế mạch thực nghiệm

Trên cơ sở yêu cầu thu nhận dữ liệu nhóm em thiết kế mạch lưu tín hiệu song song đảm bảo tốc độ thu nhập dữ liệu cao Lựa chọn bộ nhớ ngoài lớn 512Kb-1024Kb và thiết

kế mạch bao gồm các module :

- Module truyền thông nối tiếp: sử dụng giao tiếp I2C chế độ multi- master, PIC 16f877

được sử dụng để giao tiếp với 2 slave trong mạch điều khiển (DSPIC 4012)

- Bộ nhớ ngoài: sử dụng ROM AT49F010 bộ nhớ 1megabits lưu dữ liệu

- Module RS232: sử dụng PIC 16f877 kết hợp với MAX232 truyền lên cổng COM máy

Các thông số đặc trưng của PIC:

• Lập trình với 35 câu lệnh đơn giản, hầu hết thực hiện trong 1 chu kì

• Tốc độ hoạt động : Xung đồng hồ vào DC-20MHz

Chương 3 Thu thập số liệu thực nghiệm và xử lý số liệu

• Chu kì thực hiện lệnh là 200ns

• Dải điện thế 2.0÷5.5V

• Có 3 timer : 2 bộ 8 bit, 1 bộ 16 bit

• 33 cổng IO, 8 cổng Analog

• Cổng truyền thông nối tiếp SSP với SPI và I2C

• Truyền thông USART

• Giá sản phẩm không quá đắt

- Bộ nhớ ngoài ROM AT49F010

Đáp ứng yêu cầu lưu trữ dữ liệu lớn đồng thời tốc độ đọc ghi cao Đặc tính của chip:

• Sử dụng điện áp 5V cho việc đọc, xóa và lập trình

• Bộ nhớ 1Mbits (128Kx8) , công nghệ CMOS

• Truy nhập nhanh với tốc độ 45ns

• Có timer và điều khiển bên trong

• Xóa toàn bộ ROM nhanh trong thời gian 10s

• Lập trình nhanh với tốc độ 10us / byte

• Bảo vệ dữ liệu bằng Data Polling

• Tiêu thụ công suất nhỏ với 30mA khi hoạt động và 100uA khi standby

• Số lần ghi lớn 10.000 lần

Chương 3 Thu thập số liệu thực nghiệm và xử lý số liệu

RE3/MCLR/Vpp 1

2

RA0/AN0/ULPWU/C12IN0-RA1/AN1/C12IN1 3

RA2/AN2/CVREF/C2IN+

4 RA3/AN3/VREF+/C1IN+

5 RA4/TOCKI/C1OUT 6

RA5/AN4/SS/C2OUT 7

REO/AN5 8

RE1/AN6 9

RE2/AN7 10

VDD 11 VSS 12

RA7/OSC1/CLKIN 13

RA6/OSC2/CLKOUT 14

RCO/T1OSO/T1CKI 15RC1/T1OSI/CCP2 16RC2/P1A/CCP1 17RC3/SCK.SCL 18

RD0 19RD1 20RD2 21RD3 22

RC4/SDI/SDA 23RC5/SDO 24RC6/TX/CK 25RC7/RX/DT 26

RD4 27RD5/PIB 28RD6/P1C 29RD7/P1D 30

VSS 31 VDD 32

RB0/AN12/INT 33RB1/AN10/C12IN3- 34RB2/AN8 35RB3/AN9/PGM/C12IN2- 36

RB4/AN11 37RB5/AN13/T1G 38RB6/ICSPCLK 39RB7/ICSPDAT 40

A0 12 A1 11 A2 10 A3 9 A4 8 A5 7 A6 6 A7 5 A8 27 A9 26 A10 23 A11 25 A12 4 A13 28 A14 29 A15 3

GND 16VCC 32

A16 2

WE 31

U2

AT49F010

D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7

D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7

A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 A13 A14 A15 A16

WE OE CE

CE OE WE

SCL SDA TX RX

1

SW MODE

GND VCC

A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8

A9 A10 A11 A12 A13

A14 A15 A16

VCC

MCLR

1K

R1 Resistor D1

LED

GND

10K R403

C402 1u

Chương 3 Thu thập số liệu thực nghiệm và xử lý số liệu

3.1.3 Thuyết minh nguyên lý

Tín hiệu cần thu thập thông qua giao tiếp I2C với các vi xử lý khác được lưu trữ vào ROM qua các chân địa chỉ từ A0-A15.Với 16 chân địa chỉ thì ta có thể lưu giữ được 216

dữ liệu, mỗi dữ liệu ứng có độ lớn 1byte và được lưu trữ vào trong ROM thông qua các chân data A0-A7

Mạch có 2 chế độ lưu và truyền dữ liệu, được điều khiển bởi Switch gạt Khi hoạt động ở chế độ lưu hay chế độ ghi thì dữ liệu sẽ được truyền từ DSPIC 4012 của mạch điều khiển sang PIC16F877 qua giao tiếp I2C và ghi vào ROM Sau đó muốn nhận dữ liệu vào máy tính thì Switch được gạt sang, ta sẽ truyền dữ liệu từ ROM lên máy tính qua giao tiếp RS232

3.2 Truyền nhận dữ liệu bằng I2C

3.2.1 Giới thiệu sơ lược về I2C

a) Khái niệm

Một giao tiếp I2C gồm có 2 dây: Serial Data (SDA) và Serial Clock (SCL).SDA là đường truyền dữ liệu 2 hướng, còn SCL là đường truyền xung đồng theo 1 hướng Trên mạng I2C mỗi thiết bị sẽ nhận một địa chỉ trong suốt thời gian giao tiếp giữa chủ và tớ.Thiết bị chủ ( master) giữ vai trò chủ động , còn thiết bị tớ ( Slave) chỉ đợi lắng nghe master phát tín hiệu xuống và nó sẽ dáp ứng lại tín hiệu đó

b) Điều kiện Start và Stop

Chương 3 Thu thập số liệu thực nghiệm và xử lý số liệu

Điều kiện Stop trên bus là: Chân SDA có cạnh từ thấp lên cao và chân SCL đang ở mức cao

c) Định dạng dữ liệu truyền trong I2C

Ban đầu Master sẽ truyền 8 bit cho Slave trong đó có 7 bit chứa địa chỉ ( Address) của Slave và bit LSB sẽ có hai giá trị : nếu là 1 ( đọc dữ liệu từ Slave) hay là 0 (đưa dữ liệu ra slave)

Sau đó nếu địa chỉ tới đúng con Slave thì master sẽ nhận được tín hiệu ACK từ con Slave Sau đó nó sẽ truyền mỗi lần 8 bit Data xuống Slave.Khi con Slave nhận xong 8 bít

nó sẽ kéo đường ACK xuống thấp, để báo cho master biết Slave đã nhận đủ 8 bit

3.2.2 Giới thiệu lý thuyết về multi master- slave

Bus I2C ban đầu thực chất được phát triển như một bus multi-master (nhiều chủ) Có nghĩa là có hơn 1 thiết bị có thể chủ động trong hệ thống

Nếu ta chỉ dùng 1 master thì trên bus thực sự không có sự xung đột dữ liệu.Tuy nhiên nếu

có từ 2 master trở lên như hình 3.4

Hình 3.3 Khung truyền dữ liệu I2C

Hình 3.4 Cấu hình 2 Master trong mạng

Chương 3 Thu thập số liệu thực nghiệm và xử lý số liệu

Khi Master 1 phát ra tín hiệu bắt đầu (Start condition) và gửi 1 địa chỉ, tất cả Slave đều lắng nghe, bao gồm cả CPU 2 ngay thời gian này cũng được xem như là 1 slave.Nếu địa chỉ không khớp với địa chỉ của CPU2, CPU2 sẽ phải dừng mọi hoạt động của nó trên bus cho tới khi bus trở lại trạng thái IDLE sau điều kiện Stop của CPU1

Miễn là 2 CPU (hay là Pic) quan sát được tình trạng của bus (start và stop) thì không

có rắc rối nào xảy ra.Tuy nhiên giả sử rằng một con Pic không quan sát được điều kiện Start và nghĩ rằng bus đang IDLE (tức là rãnh), hay là nó nghĩ bus mới Reset thì nó sẽ gửi tín hiệu lên bus, từ đó sẽ gây ra rắc rối

Phát hiện bus bận:

Tính chất vật lý của bus I2C đã hỗ trợ ta điều này Bởi vì cấu trúc của bus là một bus nối các thiết bị nối tiếp lại với nhau (giống kiểu And), chúng ta có thể kiểm tra bus như sau: nếu có 1 thiết bị nào đó kéo bus xuống mức thấp LOW thì nó sẽ ở mức thấp LOW Khi một Master thay đổi trạng thái của dây lên cao HIGH, nó phải luôn kiểm tra là đường dây đã lên HIGH Nếu đường dây vẫn ở mức thấp như vậy sự tranh chấp đã xảy ra

và chỉ ra rằng có 1 thiết bị nào đó đã kéo đường dẩy xuống LOW

Do đó luật chung để nhận biết là: Nếu một master không thể đưa một đường dây

lên mức HIGH tức là nó mất quyền kiểm soát, nó phải lặp chờ cho tới khi có điều kiện stop xảy ra trên bus thì nó mới được truyền dữ liệu

3.3 Giao tiếp dữ liệu với máy tính và xử lý số liệu

3.3.1 Giao tiếp nhận dữ liệu

Sau khi các tín hiệu đã được lưu trong bộ nhớ ngoài ROM, công việc tiếp theo là chúng ta sẽ đưa dữ liệu lên máy tính Có thể đưa dữ liệu lên máy tính bằng nhiều cách qua các các cổng giao tiếp với máy tính: cổng USB, cổng LPT, cổng COM…Với mục đích đưa dữ liệu lên máy tính đơn thuần chúng ta chọn phương án truyền dữ liệu nối tiếp

Chương 3 Thu thập số liệu thực nghiệm và xử lý số liệu

Cách nối này sử dụng phương pháp truyền thông kiểu nối tiếp, trong đó ở một thời điểm chỉ có một bit được gửi đi dọc theo một đường dẫn và một đường dẫn được sử dụng

để truyền còn một đường dẫn khác dùng để nhận

Cổng truyền thông nối tiếp RS-232 trên máy tính thường được biết tới là cổng COM

Sử dụng Guide Builder trong Matlab để xây dựng phần mềm thu nhận dữ liệu và

vẽ đồ thị theo thời gian dữ liệu thu được Bên cạnh đó để thuận tiện cho việc xử lý số liệu một cách nhanh chóng khi nhận được dữ liệu, phần mềm có chức năng lọc tín hiệu thu được, có thể khởi động “System Identification Toolbox” trong Matlab, đồng thời tính toán tham số bộ điều khiển Hình 3.6 minh họa chức năng của phần mềm Các đặc tính truyền, trạng thái truyền đều được hiển thị giúp thuận tiện khi sử dụng Tùy theo khung truyền dữ liệu mà phần mềm cũng có thể tiến hành ghép các byte lại và phân tách ra các tín hiệu Ban đầu dữ liệu được truyền lên là một dãy các bytes, trong đó 2 bytes ghép thành một tín hiệu, khung truyền có 2 tín hiệu momen và vận tốc sẽ được phân tách ra ở các cột W1 và W2, và được hiển thị trên đồ thị Sau khi có đồ thị có thể sử dụng chức năng Filter để loại bỏ nhiễu, khởi động công cụ nhận dạng Ident và cuối cùng là chức năng tính toán bộ điều khiển Tất cả các thao tác trên đều được thực hiện bằng phần mềm nên thời gian xử lý nhanh, tiện dụng cho việc đo đạc thu nhận tín hiệu nhiều lần

C1-4 C2- 5 Vs- 6

T2OUT 7R2OUT

9 T2IN R2IN 8 10

T1IN 11 R1OUT

12 T1OUTR1IN 1314

GNDVCC 1516 U3

MAX232

TX RX

C3

1u

C4 1u

CbyPass 1u

GND

C5 1u

GND

C6 1u

Chương 3 Thu thập số liệu thực nghiệm và xử lý số liệu

Một khung dữ liệu truyền lên gồm 4bytes chứa dữ liệu tốc độ 2 bánh xe hoặc chứa dữ liệu tốc độ và momen một bánh Trên hình 3.6 thì dữ liệu truyền lên là tốc độ và momen, mỗi dữ liệu tương ứng là 2bytes Thông số truyền được hiển thị như: COM4-9600-8-none-1-10000 : cổng kết nối là COM4, baudrate=9600, data bit=8, parity bit = none, stop bit=1, 10000 là số byte sẽ nhận Có thể thiết lập thông số ở phần Setting của phần mềm tùy theo yêu cầu truyền dữ liệu

3.3.3 Xử lý tín hiệu-Vẽ đường đặc tính tối ưu

Hình 3.6 Phần mềm thu nhận dữ liệu

Chương 3 Thu thập số liệu thực nghiệm và xử lý số liệu

b) Lọc nhiễu bằng bộ lọc số xung hữu hạn FIR

Tư tưởng phương pháp: Sử dụng bộ lọc số để làm biến dạng sự phân bố tần số các thành phần của tín hiệu theo các chỉ tiêu đã cho

Từ đáp ứng tần số mong muốn ta có được các chỉ tiêu kỹ thuật như tần số dải chắn, dải thông…

Sử dụng phương pháp hàm cửa sổ để thiết kế bộ lọc

Áp dụng với đối tượng xe điện PET thì tín hiệu đo được sẽ có thành phần nhiễu tần số cao và thành phần cơ bản tần số thấp.Tín hiệu tốc độ sau một thời gian sẽ ổn định ta coi chu kỳ trích mẫu của nó là vô cùng Do đó ta sẽ đi thiết kế bộ lọc thông thấp với tần số cắt tương đối nhỏ

Kiểm nghiệm phương pháp

Tiến hành thử xử lý số liệu bằng 2 phương pháp ta thu được kết quả được minh họa ở hình 3.7 và 3.8

Từ các đồ thị thu được ta có thể thấy tín hiệu được xử lý theo phương pháp lọc FIR cho đường mịn hơn và độ dịch pha so với tín hiệu gốc là ít hơn so với phương pháp cộng trung bình Do đó chúng ta sẽ lựa chọn phương pháp FIR để xử lý tín hiệu sau khi nhận lên máy tính

Như vậy việc thu thập và xử lý số liệu đã hoàn tất Công việc tiếp theo sẽ là sử dụng các số liệu đã xử lý để nhận dạng đối tượng Nội dung này sẽ được trình bày ở chương 4: Nhận dạng mô hình

Chương 3 Thu thập số liệu thực nghiệm và xử lý số liệu

Hình 3.7 So sánh độ mịn

Chương 3 Thu thập số liệu thực nghiệm và xử lý số liệu

3.4 Kết quả đo và xử lý số liệu thực nghiệm

Áp dụng các phương pháp thu nhận và xử lý dữ liệu thực nghiêm với 3 mặt đường : đường nhựa, đường lát gạch, đường bê tông ta thu được các kết quả như trên các hình từ 3.9 đến 3.13 Có thể thấy rằng đáp ứng vận tốc trên các mặt đường khác nhau rất khác nhau, và đáp ứng tốt nhất ứng với mặt đường nhựa

Đường nhựa:

Hình 3.9 Tốc độ bánh trái trên đường nhựa

Hình 3.10 Tốc độ bánh phải trên đường nhựa

Chương 3 Thu thập số liệu thực nghiệm và xử lý số liệu

Đường lát gạch:

Hình 3.10 Tốc độ bánh trái trên đường lát gạch

Chương 3 Thu thập số liệu thực nghiệm và xử lý số liệu

Đường bê tông:

Hình 3.12 Tốc độ bánh trái trên đường bê tông

Hình 3.13 Tốc độ bánh phải trên đường bê tông

Các kết quả sau khi đã xử lý sẽ được nhận dạng, ta sẽ đi nhận dạng đối tượng là bánh trái

và bánh phải trên các mặt đường khác nhau

Chương 4 Nhận dạng mô hình

Chương 4 NHẬN DẠNG MÔ HÌNH

Dữ liệu sau khi thông qua các bước xử lý sẽ được sử dụng để nhận dạng.Trong khuôn khổ của đồ án này, chúng ta sẽ đề cập tới nội dung phương pháp nhận dạng đối với vòng kín tốc độ Các dữ liệu đo đạc thực tế sử dụng là tốc độ của bánh xe trái và bánh xe phải Sau khi nhận dạng vòng kín tốc độ sẽ thu được hàm truyền của vòng kín, cộng với bộ điều khiển đã biết trước đó ta có thể xác định được đối tượng là mô hình thực nghiệm của bánh xe

4.1 Phân loại các phương pháp nhận dạng

Các phương pháp nhận dạng hiện nay vô cùng phong phú, vì thế trong khuôn khổ đồ

án này rất khó có thể đưa ra một cái nhìn tổng quan phù hợp Đề tài thực nghiệm đề cao

sự ứng dụng các kết quả có được nên nội dung trình bày sẽ hướng đến việc sẽ sử dụng kết quả như thế nào Vì vậy việc phân loại có thể nhìn dưới các góc nhìn: phân loại theo dạng

mô hình sử dụng, dạng tín hiệu thực nghiệm, thuật toán áp dụng, mục đích sử dụng mô hình:

a) Dạng mô hình sử dụng

Dựa theo dạng mô hình sử dụng trực tiếp, người ta có thể phân biệt các phương pháp tương ứng như nhận dạng hệ thống phi tuyến hoặc nhận dạng hệ tuyến tính, nhận dạng hệ liên tục hoặc nhận dạng hệ gián đoạn, nhận dạng trên miền thời gian hoặc nhận dạng trên miền tần số, nhận dạng mô hình không tham số hoặc nhận dạng mô hình có tham số…Trở lại với yêu cầu đặt ra là nhận dạng mô hình bánh xe thực tế khi trên đường, khi chạy không tải thì bánh xe đơn thuần là 1 động cơ Động cơ lại có thể coi là một đối tượng tuyến tính, một cách đơn giản hóa có thể coi bánh xe chạy trên đường cũng là một đối tượng tuyến tính và các phương pháp nhận dạng đề cập tới là áp dụng mô hình tuyến

mô hình nhận dạng ngoại tuyến phục vụ phân tích, thiết kế điều khiển, mô phỏng đào tạo vận hành…

c) Nhận dạng chủ động hoặc nhận dạng bị động

Dựa trên dạng tín hiệu thực nghiệm ta có thể phân biệt các phương pháp nhận dạng chủ động và nhận dạng bị động Môt phương pháp nhận dạng được gọi là chủ động nếu tín hiệu vào được chủ động lựa chọn và kích thích Ngược lại ta sẽ có nhận dạng bị động Nhận dạng chủ động là tốt nhất nếu thực tế cho phép và thoạt nhìn ở bài toán đang giải quyết thì phương pháp chủ động có thể không khả thi vì hệ thống đang hoạt động nói rõ hơn là xe đang chạy trên đường tùy thuộc vào điều kiện mà tín hiệu vào sẽ thay đổi Nhưng để ý rằng là các tín hiệu điều khiển xe đều do người điều khiển quyết định và hơn nữa đã xác định việc nhận dạng ngoại tuyến nên có thể chủ động can thiệp tín hiệu điều khiển

d) Nhận dạng vòng hở và nhận dạng vòng kín

Mô hình của một đối tượng có thể xác định trực tiếp trên cở sở tiến hành thực nghiệm với các tín hiệu vào ra của nó Trong trường hợp đó người ta gọi là nhận dạng trực tiếp hay nhận dạng vòng hở (open-loop identification) Tuy nhiên, đối với đối tượng bánh xe này thì tín hiệu trực tiếp vào ra là Momen và tốc độ nên việc chủ động đưa tín hiệu Momen với biên độ lớn có thể làm cho các thông số quá trình vượt ra khỏi phạm vi cho phép và đặc biệt việc khảo sát bánh xe trên mặt đường trong quá trình khởi động cần Momen lớn nên nếu tiếp tục duy trì Momen lớn thì dễ gây mất ổn định Do đó một hướng khắc phục là sử dụng phương pháp nhận dạng vòng kín (closed- loop identification) Một

bộ điều khiển đưa vào duy trì hệ thống trong phạm vi làm việc cho phép (Hình 4.1)