Nghiên cứu phương pháp điều khiển cân bằng cho robot hai bánh tự cân bằng

Đề tài này được quan tâm từ việc xác định các thông số đầu vào và ra, dựa trên đó để thiết kế mô hình, thực hiện phần điện tử và điều khiển, viết các chương trình điều khiển với mục đích

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

NGUYỄN NAM

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG

CHO ROBOT TỰ CÂN BẰNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KHÁNH HÒA - 2015

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

NGUYỄN NAM

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG

CHO ROBOT HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan mọi kết quả của đề tài: “NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP

ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG CHO ROBOT HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG ” là công

trình nghiên cứu của cá nhân tôi và chưa từng được công bố trong bất cứ công trình khoa học nào khác cho tới thời điểm này

Nha Trang, Ngày 19 tháng 10 năm 2015 Tác giả luận văn

Nguyễn Nam

ii

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt thời gian thực hiện đề tài, tôi đã nhận được sự giúp đỡ của quý phòng ban trường Đại học Nha Trang, đã tạo điều kiện tốt nhất cho tôi được hoàn thành đề tài Đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình của TS Đặng Xuân Phương đã giúp tôi hoàn thành tốt đề tài Qua đây, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến sự giúp đỡ này

Ngoài ra, tôi cũng xin chân thành cảm ơn TS Vũ Thăng Long, Th.S Trần Văn Hùng giảng viên bộ môn Cơ điện tử đã nhiệt tình giúp đỡ về mặt lý thuyết để hoàn thành phần điện điều khiển động cơ

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình và tất cả bạn bè đã giúp đỡ, động viên tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài Tôi xin chân thành cảm ơn!

Nha Trang, ngày 19 tháng 10 năm 2015

Tác giả luận văn

iii

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC BẢNG vi

DANH MỤC HÌNH VẼ vii

TRÍCH YẾU LUẬN VĂN x

Lời nói đầu 1

Chương 1 - TỔNG QUAN 3

1.1 Nguyên lý hoạt động của xe hai bánh tự cân bằng 3

1.2 Ưu nhược điểm của xe hai bánh tự cân bằng 4

1.2.1 Ưu điểm 4

1.2.2 Nhược điểm 4

1.3 Khả năng ứng dụng 4

1.4 Nhu cầu thực tế 5

1.5 Một số dạng xe hai bánh tự cân bằng 6

1.5.1.1 Segway 6

1.5.1.2 Xe Balancing 7

1.6 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 8

1.6.1 Quốc tế 8

1.6.1.1 JOE 8

1.6.1.2 nBot 9

1.6.1.3 BaliBot 10

1.6.1.4 Balancing robot (Bbot) 10

1.6.1.5 Equibot 10

1.6.1.6 Bender 11

1.6.1.7 ArduRoller balance bot 11

iv

1.6.1.8 Loại Robot hổ trợ con người của hãng TOYOTA 11

1.6.2 Trong nước 12

1.6.2.1 Đại học Lạc Hồng 12

1.6.2.2 Đại học bách khóa TP.HCM 12

2.1 Phương pháp nghiên cứu 14

2.2 Cơ sở lý thuyết động lực học 14

2.2.1 Nguyên lý hoạt động của robot tự cân bằng 15

2.2.2 Phân tích lực từ mô hình con lắc ngược 16

2.2.3 Mô hình động lực học 17

2.3 Lý thuyết điều khiển 23

2.3.1 Lý thuyết cổ điển 24

2.3.2 Lý thuyết hiện đại 24

2.4 Giải thuật điều khiển PID 24

2.4.1 Bộ điều khiển PID 24

2.4.2 Giải thuật PID 25

2.4.3 Điều chỉnh hệ số PID 26

2.5 Các phương pháp xử lý tín hiệu từ cảm biến 28

2.5.1 Độ chính xác của cảm biến 28

2.5.2 Lọc bổ phụ thông tần (Complementary Filter) 29

2.5.3 Lọc thích nghi - Bộ lọc Kalman (Kalman Filter) 30

Chương 3 – CHẾ TẠO MÔ HÌNH XE 2 BÁNH TỰ CÂN BẰNG 33

3.1 Chế tạo cơ khí 33

3.1.1 Linh kiện điện tử 34

3.1.2.1 Cảm biến 34

3.1.2.2 Bánh xe 41

3.1.2.3 Động cơ điện DC 41

v

3.1.2.4 Điều khiển tốc độ động cơ điện DC 44

3.2 Mạch điện tử 48

3.2.1 Nguồn điện 48

3.2.2 Mạch công suất điều khiển động cơ 48

3.2.3 Cảm biến vị trí encoder 49

3.2.4 Bộ xử lý trung tâm - vi điều khiển Atmega 8 50

3.2.5 Mạch điều khiển trung tâm 51

3.3 Giải thuật - Lưu đồ chương trình 52

3.2.1 Chương trình chính 53

3.2.2 Đọc tốc độ động cơ 53

3.2.3 Chống nhiễu 54

3.4 Thử nghiệm 55

3.5 Kết quả 58

Chương 4 - KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 61

4.1 Những đóng góp và tính mới của đề tài 61

4.2 Hạn chế của đề tài 61

4.3 Đề xuất hướng nghiên cứu tương lai 62

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 63

PHẦN THỦ TỤC 64

vii

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Mô tả nguyên lý giữ thăng bằng 3

Hình 1.2 Segway HT kiểu i170 6

Hình 1.3 Xe 2 bánh tự cân bằng của Trevor Blackwell 7

Hình 1.4 JOE 8

Hình 1.5 nBot 9

Hình 1.6 nBot 9

Hình 1.7 Balibot 10

Hình 1.10 Robot Bender 10

Hình 1.8 Bbot 10

Hình 1.9 Equibot 11

Hình 1.11 ArduRoller balance bot 11

Hình 1.12 Loại robot, kiểu Rolling của TOYOTA 11

Hình 1.13 Xe 2 bánh tự cân bằng (ĐHLH) 12

Hình 1.14 Xe 2 bánh tự cân bằng (ĐH TP.HCM) 12

Hình 2.1 Các trường hợp di chuyển của robot hai bánh tự cân bằng 15

Hình 2.2 Mô hình phân tích lực con lắc ngược 16

Hình 2.3 Mô hình và sơ đồ khối ngõ vào ra của con lắc ngược 16

Hình 2.4 Mô hình phân tích của robot 2 bánh tự cân bằng 17

Hình 2.5 Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID 25

Hình 2.6 Sơ đồ lọc tín hiệu từ cảm biến 29

Hình 2.7 Sơ đồ tín hiệu từ cảm biến lọc bổ phụ thông tần 30

Hình 2.8 Sơ đồ tín hiệu từ một cảm biến lọc Kalman (Kalman Filter) 31

Hình 2.9 Từ màn hình 32

Hình 2.10 Từ dữ liệu thu được 32

Hình 3.1 Mô hình 1 động cơ 33

viii

Hình 3.2 Bản vẽ cấu tạo khung mô hình 33

Hình 3.3 Sơ đồ khối Robot 34

Hình 3.4 Cảm biến MPU6050 34

Hình 3.5 Sơ đồ khối cấu tạo cảm biến MPU6050 35

Hình 3.6 Sơ đồ kết nối cảm biến MPU6050 37

Hình 3.7 Giản đồ xung khi giao tiếp I2C với MPU6050 37

Hình 3.8 Cách viết dữ liệu lên MPU6050 38

Hình 3.9 Cách đọc dữ liệu từ MPU6050 39

Hình 3.10 Thanh ghi có địa chỉ 1B 39

Hình 3.11 Các chế độ thanh ghi 1B 39

Hình 3.12 Thanh ghi có địa chỉ 1C 39

Hình 3.13 Các chế độ thanh ghi 1C 40

Hình 3.14 Thanh ghi có địa chỉ 24 40

Hình 3.15 Các chế độ thanh ghi 24 40

Hình 3.16 Thanh ghi có địa chỉ từ 59 đến 64 40

Hình 3.17 Thanh ghi có địa chỉ từ 67 đến 72 41

Hình 3.18 Bánh xe 41

Hình 3.19 Ba pha của động cơ điện 1 chiều 42

Hình 3.20 Động cơ DC giảm tốc Faulhaber 12V 44

Hình 3.21 Cách nối dây đọc tín hiệu từ Encoder 44

Hình 3.22 Đồ thị điều chế PWM 45

Hình 3.23 Tạo xung vuông bằng phương pháp so sánh 47

Hình 3.24 Sơ đồ mạch nguồn 48

Hình 3.25 Sơ đồ mạch công suất 49

Hình 3.26 Encoder tương đối 49

Hình 3.27 Sơ đồ chân ATMEGA 8 51

ix

Hình 3.28 Sơ đồ mạch điều khiển trung tâm 52

Hình 3.29 Giải thuật chương trình chính 53

Hình 3.30 Giải thuật đọc tốc độ động cơ 53

Hình 3.31 Giải thuật chống nhiễu 54

Hình 3.32 Giải thuật PID 54

Hình 3.37 Bắt đầu khởi động Robot(từ màn hình) 55

Hình 3.38 Bắt đầu khởi động Robot(từ dữ liệu thu được) 56

Hình 3.39 Khi Robot có lực tác động (từ màn hình) 56

Hình 3.40 Khi Robot có lực tác động động (từ dữ liệu thu được) 57

Hình 3.41 Khi Robot ổn định (từ màn hình) 57

Hình 3.42 Khi Robot ổn định (từ dữ liệu thu được) 58

Hình 3.33 Cấu tạo mô hình 58

Hình 3.34 Mặt sau 59

Hình 3.36 Mạch điều khiển động cơ 59

Hình 3.35 Mặt trước 59

x

TRÍCH YẾU LUẬN VĂN

Đề tài này có thể xem là tiền đề cho nghiên cứu từ mô hình thăng bằng con lắc ngược đến việc nghiên cứu và chế tạo các loại robot hai chân và robot người trong tương lai Mục tiêu của đề tài nghiên cứu phương pháp điều khiển cân bằng cho robot

tự cân bằng, dựa trên lý thuyết cân bằng con lắc ngược Không giống như các xe 2 bánh thông thường có hai bánh xe nằm trước sau, robot 2 bánh trong đề tài có hai bánh nằm song song với nhau, giúp nó trở nên cực kỳ gọn gàng để di chuyển bằng những bánh

xe trong những khoảng chật hẹp mà thường chỉ có thể đi bộ

Đề tài này được quan tâm từ việc xác định các thông số đầu vào và ra, dựa trên

đó để thiết kế mô hình, thực hiện phần điện tử và điều khiển, viết các chương trình điều khiển với mục đích cuối cùng là tạo ra một mô hình robot di chuyển cân bằng trên hai bánh xe đồng trục được lắp trên hai động cơ dựa theo các định luật cơ học Newton và

cơ học vật rắn: điều khiển để luôn duy trì bề mặt chân đế (hai bánh xe) ở vị trí ngay dưới trọng tâm của robot khi đứng yên, và tạo một góc nghiêng nhỏ với phương thẳng đứng của xe khi muốn xe chuyển động

Sử dụng giải thuật PID để tính toán và điều khiển một mô hình xe tự cân bằng nhờ một hệ thống điều khiển hoạt động của động cơ điện gắn trên mỗi bánh xe

Mô hình bao gồm một thân mang hai động cơ DC được gắn với mỗi bánh xe

đường kính 95mm, sử dụng bộ điều khiển trung tâm để điều khiển những mạch công suất cho những động cơ, thu nhận thông tin từ những cảm biến để xác định các giá trị góc nghiêng và quãng đường đi Các tín hiệu đo góc từ hai cảm biến accelerometer và gyro được tích hợp trong một bo mạch cảm biển MPU6050 thông qua một bộ lọc Kalman được lập trình trên vi điều khiển ATMEGA 8 của hãng AVR để có các thông

số đo góc chính xác

Từ khóa: robot 2 bánh tự cân bằng

1

Lời nói đầu

Xuất phát từ ý tưởng đã được thương mại hóa của công ty Segway: kết hợp ý tưởng về cách giữ thăng bằng của con người trên đôi chân và sự cơ động trong di chuyển của các loại xe di chuyển bằng bánh Nhưng với giá thành của sản phẩm Segway không rẻ (khoảng 5000USD/xe) chi phí rất cao do việc chế tạo các cảm biến

đã được tích hợp và xử lý với độ chính xác và tin cậy cao (khoảng 900USD/bộ) Do

đó, chúng ta sẽ kết hợp các cảm biến riêng lẻ với giá thành thấp (4 - 40USD/cảm biến)

và xử lý tín hiệu cảm biến của chúng để có được các tín hiệu tinh khiết và chính xác như mong muốn

Mô hình là một robot có hai bánh được đặt dọc trục với nhau (khác với xe đạp là trục của hai bánh xe song song) được thiết kế và chế tạo dựa trên lý thuyết cân bằng con lắc ngược, linh động khi di chuyển trên địa hình phức tạp Mô hình sử dụng cảm biến để đo góc nghiêng của thân xe, vận tốc quay (lật) của sàn xe quanh trục bánh và vận tốc di chuyển của xe Từ các tín hiệu thu được, thông qua một số đại lượng đặc trưng của mô hình (khối lượng, chiều dài, 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 giữ cho mô hình luôn đứng vững hoặc di chuyển với một vận tốc ổn định

Trọng tâm của mô hình phải luôn nằm trong vùng đỡ của bánh xe, để có thể thăng bằng khi di chuyển ở mọi bề mặt từ đơn giản đến phức tạp Khi nó leo dốc, nó tự động nghiêng ra trước và giữ trọng tâm nằm giữa trục hai bánh xe Khi xuống dốc, nó nghiêng ra sau và giữ trọng tâm nằm giữa trục hai bánh xe, nên không có hiện tượng trọng tâm của xe rơi ra ngoài vùng đỡ của các bánh xe để có thể gây ra sự lật úp

Toàn bộ mô hình được điều khiển bằng một vi điều khiển ATM 8 Đây là hệ AVR do hãng Atmel sản xuất có thể xử lý và thực thi chương trình ở tốc độ cao trong việc tính toán các giá trị cảm biến và đưa ra bộ truyền động (động cơ điện) Bộ vi điều khiển đóng vai trò quan trọng với nhận tín hiệu vào từ thiết bị cảm biến Với các dữ liệu

về góc đã xử lý và tín hiệu hồi tiếp về vị trí của bánh xe, vi điều khiển sẽ tính toán và đưa ra tín hiệu điều khiển bộ truyền động, đến bánh xe để giữ thăng bằng/di chuyển, đi thẳng, quay, cua

Đây là một phương tiện vận chuyển tại các thành phố, khu làm việc rộng lớn,

3

Chương 1 - TỔNG QUAN

1.1 Nguyên lý hoạt động của xe hai bánh tự cân bằng

Đối với các xe ba hay bốn bánh, việc thăng bằng và ổn định của chúng là nhờ trọng tâm của chúng nằm trong bề mặt chân đế do các bánh xe tạo ra Đối với các xe 2 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 chỉ có hai bánh với trục của hai bánh xe trùng nhau, để cho xe cân bằng, trọng tâm của xe cần được giữ nằm ngay giữa trục các bánh xe Điều này giống như ta giữ một cây gậy dựng thẳng đứng cân bằng trong lòng bàn tay (Hình1.1)

Thực ra, việc xác định vị trí trọng tâm của toàn bộ mô hình rất khó khăn, cũng không có cách nào tìm ra nó và có thể không có khả năng di chuyển bánh xe đủ nhanh để giữ trọng tâm luôn nằm giữa trục bánh xe

Về mặt kỹ thuật, góc giữa sàn xe và chiều trọng lực có thể biết được Do vậy, thay vì tìm cách xác định trọng tâm nằm giữa các bánh xe, tay lái cần được giữ thẳng đứng, vuông góc với sàn xe (góc cân bằng được hợp bởi phương của trọng lực và phương đứng của xe là bằng không)

Hình 1.1 Mô tả nguyên lý giữ thăng bằng

4

1.2 Ưu nhược điểm của xe hai bánh tự cân bằng

1.2.1 Ưu điểm

- Sử dụng không gian hiệu quả, đa năng (sử dụng trong nhà và ngoài phố)

- Dễ dàng lái xuống đường, dừng lại và trò chuyện với bạn bè Xe hai bánh tự cân bằng này khác hẳn với các loại xe đạp hay xe đẩy bình thường, vì chúng dễ kéo đẩy và không gây khó khăn khi dừng lại

- Khá dễ để lái vòng quanh trong văn phòng, chạy ngang qua cửa ra vào do tốc độ thấp Ngoài ra, nó còn có thể xuống các bậc thềm/ bậc thang thấp

- Chiếm ít diện tích (chỉ hơn một con người) nên nó không gây tắt nghẽn giao thông như các loại xe bốn bánh Như một phương tiện vận chuyển trên vỉa hè, nó cho phép di chuyển trong nơi đông đúc, và hoàn toàn có thể đi trên lòng đường

- Xe không đủ nhanh để đi đường trường và không đủ an toàn để lên xuống lề đường

- Không thể leo bậc thang có chiều cao quá ½ bán kính bánh xe

1.3 Khả năng ứng dụng

- Là 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 vận chuyển

- Làm phương tiện vận chuyển hàng hoá đến những nơi đã được lập trình sẵn

ở trong các tòa nhà, phòng làm việc, những không gian chật hẹp, khó xoay trở

- Thậm chí kết hợp trên các robot dạng người, nếu được kết hợp với các robot camera, robot dò đường, robot lái mặt đường thì hiệu quả các công dụng

cụ thể cực kỳ linh hoạt Tuy vậy, cần phải tiến hành giải quyết thêm về phần xuống cầu thang (không thể leo lên các bậc thang cao)

- Việc nghiên cứu phương pháp điều khiển và chế tạo mô hình robot tự cân bằng sẽ giúp và làm tiền đề cho việc chế tạo xe hai bánh tự cân bằng

5

1.4 Nhu cầu thực tế

Hiện tại, trong điều kiện đường xá giao thông ngày càng chật hẹp, không khí ngày càng ô nhiễm, việc nghiên cứu và chế tạo một mô hình xe điện gọn nhẹ, dễ xoay

xở, không sử dụng nhiên liệu đốt trong là một nhu cầu thực sự

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 và chế tạo các robot hai chân (biped-robot, robot dạng người), 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 chuyển của các robot điều khiển từ xa 3 bánh, 4 bánh cũng như mobile rob robot điều khiển từ xa có chân, làm phong phú những 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 một dấu 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 hai bánh tự cân bằng

Hiện này mặc dù đã có nhiều công trình nghiên cứu chế tạo và công bố về xe hai bánh tự cân bằng và cũng đã có nhiều ứng dụng vào thực tế, tuy nhiên những công trình này chỉ ứng dụng những thiết bị điện tử, bo mạch cảm biến, bo mạch điều khiển được chế tạo chuyên biệt cho hệ thống hoặc chỉ công bố kết quả nhưng không công bố đầy đủ các giải thuật hay lập trình để có thể thực hiện lại

Với nghiên cứu này đã kết hợp những thiết bị điện tử thông thường có mặt tại thị trường Việt Nam giá rẻ cùng với việc viết giải thuật, lập trình nghiên cứu này cho phép làm chủ công nghệ trong phạm vi của trường để từ đó làm tiền đề cho những nghiên cứu phát triển sau này

Vì vậy đề tài sẽ đóng góp một phần nhất định cho ngành Cơ điện tử nói riêng và lĩnh vực cơ khí tự động tại Trường Đại học Nha Trang nói chung

6

1.5 Một số dạng xe hai bánh tự cân bằng

1.5.1.1 Segway

Segway là một phương tiện giao

thông cá nhân có hai bánh, hoạt động trên

cơ chế tự cân bằng do Dean Kamen phát

minh Loại xe này được sản xuất bởi công

ty Segway Inc ở bang New

Điều cơ bản nhất, Segway là sự kết hợp của một dãy các cảm biến, một hệ thống kiểm soát và một hệ thống động cơ

Hệ thống cảm biến chủ yếu là sự kết hợp các con quay hồi chuyển (gyroscope) Segway HT có năm cảm biến hồi chuyển, mặc dù nó chỉ cần ba cảm biến để phát hiện ra mức đẩy ra trước và ra sau cũng như nghiêng bên trái hay bên phải Các cảm biến còn lại làm cho phương tiện chắc chắn hơn

Khi xe nghiêng về trước, động cơ làm cả hai bánh xe quay về trước và giữ về trạng thái nghiêng Khi xe nghiêng ra sau, động cơ làm cả hai bánh xe quay ra sau Khi người lái điều khiển tay lái quẹo trái hay phải, động cơ làm một trong hai bánh xe quay nhanh hơn bánh xe kia hay hai bánh xe quay ngược chiều để xe xoay quanh

Segway là sự lựa chọn cao trong thành phố Vì các xe hơi đắt tiền và nếu có lượng lớn xe hơi chạy trên đường phố sẽ gây nên ùn tắt giao thông, và thiếu chỗ đậu

xe Tất cả những điều ấy, xe hơi không là phương tiện tối ưu nhất trong khu dân cư đông đúc

Segway cũng là chiếc máy tốt dùng để đi trong các kho hàng, nơi có nhiều hành lang Người ta còn nhận thấy sự hữu dụng khi đi quanh trong các khu dân cư, sân bay hay công viên Thật sự không có giới hạn không gian trong việc sử dụng xe Segway giúp bạn đi nhanh hơn mà không mất nhiều năng lượng

- Tốc độ cao nhất: 20 km/giờ

Hình 1.2 Segway HT kiểu i170

7

- Trọng lượng không tải: 36 kg

- Kich thước: 48 - 63,5 cm x 20 cm

- Tải trọng: một người nặng 110kg với hàng hóa nặng 34kg

- Quảng đường đi được: khoảng 28 km với một bình sạc đơn

- Giao diện hiển thị xe hoạt động: Segway có màn hình LCD nhỏ cho người lái biết năng lượng pin còn bao nhiêu và hoạt động của xe như thế nào, còn tốt không

1.5.1.2 Balancing

Trevor Blackwell chế tạo ra xe hai bánh tự cân

bằng dựa theo Segway của hãng Mỹ[27] Xe hai bánh tự

cân bằng này được xây dựng từ những bộ phận giống

động cơ xe lăn và từ các cục pin xe Những bộ phận và

module để chế tạo có giá thành thấp hơn phân nửa

Segway Nó không cần phần mềm thực thi cao hay phức

tạp Phiên bản đầu tiên được viết trên Python và sử dụng

cổng số để truyền thông tin đến con quay hồi chuyển và

mạch điều khiển động cơ (Hình 1.3)

Xe được sử dụng vi điều khiển 8-bit từ Atmel,

chạy trên code C với một số điểm trôi Nó gởi những

lệnh kiểm soát tốc độ ra port serial khoảng 9600 baud

trong ASCII đối với bộ phận lái động cơ, có giá

10USD do Digikey tạo Một con quay hồi chuyển

ceramic và gia tốc kế hai trục để điều chỉnh hướng chính

xác, cùng hoạt động với vi mạch điều khiển Atmel, với

giá 149USD do Rotomotion tạo ra

1.5.1.3 Xe tự thăng bằng 2 bánh chạy điện

Được giới thiệu tại CES 2015, Monorover R2 là phiên bản tiếp theo của chiếc

xe 1 bánh tự cân bằng ra mắt từ năm 2014 đang được giới trẻ Việt Nam rất ưa chuộng bởi tính cơ động và cách điều khiển độc đáo Xe điện Monorover R2 được điều khiển dựa vào 2 bàn đệm cao su, chính là nơi mà người dùng đứng lên, bên dưới lớp cao su lót này là một công tắc điều khiển 3 trạng thái được trải đều trên 3 vị trí mũi chân, lòng

Hình 1.3 Xe 2 bánh tự cân

bằng của Trevor Blackwell

8

bàn chân và gót chân Chính vì thế người dùng có thể điều khiển xe bằng cách nhún chân về phía trước để tiến lên hoặc ngửa người ra sau để lùi lại

Toàn bộ hoạt động của xe được duy trì bằng 1

bộ Pin lớn có điện áp 36V và dung lượng tới

4400mAh có thể chạy liên tục trong điều kiện bình

thường tới 20Km Chính vì có đường kính bánh khá

nhỏ và gầm xe cũng rất thấp nên Monorover R2 chỉ

phù hợp để đi trên các bề mặt bằng phẳng không gồ

ghề như các trung tâm thương mại hoặc công viên

không phù hợp dùng di chuyển trên các đoạn đường

có nhiều ổ gà

1.6 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.6.1 Quốc tế

1.6.1.1 JOE

Robot JOE được nghiên cứu chế tạo bởi phòng thí

nghiệm điện tử công nghiệp của Viện Công nghệ Federal,

Lausanne, Thụy Sĩ, năm 2002[16] Cao 65cm, nặng 12kg, tốc

độ tối đa khoảng 1,5m/s, có khả năng leo dốc nghiêng đến

30o Nguồn điện cấp là nguồn pin 32V 1,8Ah (Hình 1.4)

Cấu tạo gồm hai bánh xe, mỗi bánh gắn với một động

cơ DC, chiếc xe này có thể chuyển động xoay theo hình U

Hệ thống điều khiển được lắp từ hai bộ điều khiển state-space tách rời nhau, kiểm soát động cơ để giữ cân bằng cho hệ thống Những thông số trạng thái của JOE được xác định bởi hai encoder quang và vận tốc của con quay hồi chuyển

Hình 1.5 JOE Hình 1.4 Monorover R2

Blackwell

9

1.6.1.2 nBot

nBot do David P Anderson sáng chế [17] Phương

pháp cân bằng của nBot: các bánh xe sẽ quay theo

hướng phần trên robot bị nghiêng Nếu bánh xe được

điều khiển nhằm đứng vững theo trọng tâm robot, robot

sẽ được giữ cân bằng

Để thực hiện được điều này đòi cần có hai cảm

biến phản hồi thông tin: cảm biến góc nghiêng để đo góc

nghiêng của robot với trọng lực, và encoder trên bánh xe

để đo vị trí cơ bản của robot (Hình 1.5, Hình 1.6)

Bốn thông số đầu vào để xác định hoạt động và vị trí của xe con lắc ngược cân bằng là:

10

1.6.1.3 BaliBot

Năm 2003, Bill Sherman đã nghiên cứu và chế

tạo Balibot[18] , một robot hai bánh tự cân bằng, là một

trong các mẫu đầu tiên về robot hai bánh có trọng tâm

phía trên các bánh xe Không có hệ thống điều khiển

hoạt động, robot sẽ bị ngã Khi robot có nhận biết hướng

mà nó sắp ngã, các bánh xe sẽ di chuyển về phía sẽ ngã

(Hình 1.7)

Cảm biến góc nghiêng Motorola MMA2260 được

dùng để đo góc nghiêng của robot, gia tốc kế được sử dụng, thiết bị có cấu trúc MEMS

PIC16F876 của hãng Microchip© là trung tâm điều khiển robot

1.6.1.4 Balancing robot (Bbot)

Vào năm 2003, Jack Wu và Jim Bai[19]là những sinh viên trường Đại học

Carnegie Mellon dưới sự trợ giúp của GS Chris Atkeson đã thực hiện đề tài robot hai

bánh tự cân bằng

Để đo góc nghiêng của robot, họ đã sử dụng

cảm biến đo góc 2DOF được tích hợp sẵn của hãng

Rotomotion Cảm biến được kết hợp bởi gia tốc kế

ADXL202 và mạch con quay hồi chuyển Vi mạch

điều khiển là BasicX 24, có nhiều tính năng khác

nhau Nó được dùng như bộ điều khiển động cơ,

COM1 được nối với Pocket PC và COM3 thì nối với

bộ điều khiển servo Mini SSC 12 Nó còn được sử

dụng như CPU chính cho việc điều khiển thăng bằng

cho robot (Hình 1.8)

1.6.1.5 Equibot

Equibot là robot cân bằng do Dan Piponi thực

hiện năm 2006[21] Cơ bản nó dựa vào vi điều khiển

ATMega32 RISC Hai động cơ servo Hitec HS-311

Hình 1.10

Robot Bender

Hình 1.7 Balibot

Hình 1.8 Bbot

11

được điều khiển bởi với bộ điều khiển tứ cực LQR và

nguồn điện vào được nối trực tiếp với các động cơ

Equibot chỉ có một loại cảm biến hồng ngoại Sharp

thay cho cảm biến về góc Nó được đặt thấp để đo

khoảng cách với sàn Ngõ ra từ thiết bị được dùng để xác

định hướng robot di chuyển ( Hình 1.9)

1.6.1.6 Bender

Robot cân bằng Bender là đề án do TedLarson[20], San

Francisco thực hiện năm 2004 Mục tiêu của ông là xây dựng

robot tự cân bằng trên mặt sàn, và từ đó dùng làm nền cơ bản

để xây dựng robot tự hành dùng bánh xe (Hình 1.10)

1.6.1.7 ArduRoller balance bot

Caveat Emptor đã nghiên cứu chế tạo năm 2011[22]

- Khung: laser cắt lớp 2.7mm bằng tre, vít máy

M2.5 (Hình 1.11)

- Bộ điều khiển: Arduino Uno

- Driver điều khiển động cơ: Sparkfun Ardumoto

- Động cơ: 2 x 24 Sparkfun: 1 gearmotor

- Bánh xe: Sparkfun 70mm

- Gyro: ADXRS613 gắn ở trục quay

- Accelerometer: ADXL203CE gắn ở trục quay

- Pin: 2 x 3.7V Li-poly 850MAh

1.6.1.8 Loại Robot hổ trợ con người của hãng

TOYOTA

Đây là một trong những loại robot có công

dụng phục vụ cho con người do hãng TOYOTA

thiết kế[23] Nó cao 100cm và nặng 35kg Mẫu robot

này có khả năng di chuyển nhanh mà không chiếm

một không gian lớn, đồng thời đôi tay của nó có thể

Hình 1.12 Loại robot, kiểu

Rolling của TOYOTA

Hình 1.11 ArduRoller balance bot

Hình 1.9 Equibot

12

làm nhiều công việc khác nhau, chủ yếu được dùng

làm trợ lý trong công nghiệp (Hình 1.12)

1.6.2 Trong nước

1.6.2.1 Đại học Lạc Hồng

Xe 2 bánh tự cân bằng của nhóm tác giả

Trường Đại học Lạc Hồng[24] gồm có: cảm biến đo

góc nghiêng, 2 bánh xe đặt song song, hệ thống bánh

lái và pin lithium-ion để cấp năng lượng cho xe hoạt

động Do công ty Công ty AZ Autosản xuất giá cả

khoảng 40– 50 triệu / xe (Hình 1.13)

cứu chế tạo thành công xe hai

bánh tự cân bằng Nghiên cứu

này tập hợp 6 nhà khoa học có

chuyên môn sâu trong các lĩnh

vực khác nhau: ThS Mai Tuấn

Đạt và ThS.Nguyễn Gia Minh

Thảo, đồng chủ nhiệm, cùng

với PGS.TS Dương Hoài

Nghĩa, TS.Huỳnh Thái Hoàng phụ trách phần điều khiển tự động, TS Hồ Phạm Huy Anh thực hiện phần điều khiển máy điện, PGS.TS.Nguyễn Hữu Phúc phụ trách hệ thống năng lượng Xe có thể đạt tốc độ tối đa 25 km/h, năng lượng được cung cấp từ bình điện, sử dụng được 26 km, nặng 54 kg (Hình 1.14)

Hình 1.14 Xe 2 bánh tự cân bằng (ĐH

Hình 1.13 Xe 2 bánh tự cân bằng

(ĐHLH)

13

Qua những nghiên cứu của trong và ngoài nước ta thấy hầu hết xe hai bánh tự cân bằng, việc xác định góc nghiêng và điều khiển động cơ đều dùng những bo mạch cảm biến, bo điều khiển được thiết kế chế tạo công nghiệp hoặc được dùng trong các phòng thí ngiệm với bộ xử lý tốc độ cao, đồng nghĩa với việc giải thuật phức tạp, giá thành không rẻ (100 USD – 1000USD) và việc có thể mua được chúng không hề dễ dàng tại Việt Nam Và họ chỉ công bố kết quả cuối cùng nhưng không có quá trình thực hiện

Thông qua đề tài nghiên cứu này tôi muốn sử dụng những thiết bị riêng lẻ phổ thông, dễ dàng mua được tại Việt Nam và với giải thuật đơn giản cùng bộ xử lý tốc độ thấp với giá thành thấp vẫn có thể giữ thăng bằng robot Để thiết kế chế tạo mô hình robot tự cân bằng nhằm mục đích phục vụ đào tạo tại trường ĐHNT và làm tiền đề nghiên cứu nhằm cố gắng theo kịp với công nghệ kỹ thuật trong nước

14

Chương 2 – CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài dùng phương pháp nghiên cứu kết hợp gồm: tiếp cận hệ thống, nghiên cứu tài liệu và thực nghiệm kiểm tra cóđịnh hướng dựa vào hiểu biết về hệ thống thông qua phương trình động lực học Các mối liên quan giữa các thông số để từ đó giảm thời gian thực nghiệm

Tiếp cận hệ thống: robot hai bánh tự cân bằng

Xây dựng mô hình lý thuyết:

Lý thuyết về cơ học: tiếp cận từ mô hình tương đương - mô hình con lắc ngược đến mô hình thật của đề tài

Lý thuyết về điều khiển tự động: lý thuyết điều khiển, động cơ điện DC, cảm biến Xây dựng mô hình thực nghiệm gồm có:

- Thiết kế khung sườn cơ khí của mô hình

- Công suất điện và điện tử ( điều khiển bánh xe)

- Mạch cảm biến ( góc, vị trí, vận tốc )

- Bộ điều khiển trung tâm

- Lập trình vi điều khiển

- Thử nghiệm, điều chỉnh và hoàn thiện

Mục tiêu nghiên cứu: Xây dựng được một mô hình robot hai bánh di chuyển

trên địa hình bằng phẳng, dựa trên nền tảng lý thuyết mô hình con lắc ngược

Đối tượng nghiên cứu: Robot hai bánh tự cân bằng

Phạm vi nghiên cứu: Sử dụng giải thuật PID điều khiển giữ cân bằng Robot có

thể tự cân bằng và di chuyển trên đường bằng phẳng

2.2 Cơ sở lý thuyết động lực học

Có nhiều phương pháp dùng để tính động lực học, chẳng hạn: phương pháp Newton, phương pháp Lagrange, phương pháp năng lượngNhưng trong đề tài này, phương pháp Newton được sử dụng với các ưu điểm của nó Thứ nhất, nó sử dụng các phương pháp tính cơ học thông thường Thứ hai, các công thức và hệ phương trình trong quá trình tính không quá phức tạp Thứ ba, kết quả tính động lực học mô hình con

15

lắc ngược được phổ biến ở nhiều tài liệu khoa học quốc tế

2.2.1 Nguyên lý hoạt động của robot tự cân bằng

Hoạt động dựa vào mô hình con lắc ngược gắn với hệ hai bánh xe được điều

khiển độc lập với nhau

Khi robot đứng cân bằng thì góc nghiêng  của thân robot và trục thẳng đứng

(trục của lực trọng trường) bằng 0

Khi robot nghiêng về phía trước  > 0, nếu không có điều khiển thì theo quán tính,

hai bánh xe sẽ chạy về phía sau (phía ngược lại của thân robot đang nghiêng), dẫn đến

robot sẽ bị ngã Nếu trong trường hợp này, chúng ta sẽ điều khiển cho 2 bánh xe chạy

về phía trước (phía mà robot đang nghiêng) nhằm cho góc lệch  = 0, robot sẽ thăng bằng

trở lại

Khi robot nghiêng về phía sau  < 0, nếu không có điều khiển thì theo quán tính, hai

Robot cân bằng Để robot di chuyển về phía trước thân

robot phải nghiêng về phía trước

Khi robot xuống dốc, thân robot

phải nghiêng về phía sau để

giảm vận tốc và giữ thăng băng

Để robot chạy lên dốc, thân robot phải nghiêng về phía trước với góc nghiêng lớn hơn góc nghiêng của dốc

Hình 2.1 Các trường hợp di chuyển của robot hai bánh tự cân bằng

16

bánh xe sẽ chạy về phía trước (phía ngược lại của thân robot đang nghiêng), dẫn đến robot sẽ ngã Nên trong trường hợp này, ta sẽ điểu khiển cho 2 bánh xe chạy về phía sau (phía mà robot đang nghiêng) nhằm cho góc lệch  = 0, robot sẽ thăng bằng trở lại

Nhiệm vụ tính toán ra góc là do cảm biến MPU6050 sẽ thực hiện, cảm biến sẽ tính được ra góc nghiêng theo trục x và trục y trong không gian, với bài toàn này thì chỉ cần sử dụng 1 trục (trục x hoặc trục y)

2.2.2 Phân tích lực từ mô hình con lắc ngược

Ta xem xét mô hình toán học của con lắc ngược với các tham số như sau:

(Hình 2.2)

M Khối lượng xe (kg)

m Khối lượng con lắc (kg)

L Chiều dài ½ con lắc (m)

I Momen quán tính của con lắc (Nm)

Hình 2.2 Mô hình phân tích

lực con lắc ngược

Hệ thống con lắc ngược

MB Khối lƣợng qui đổi tại trọng tâm của thân robot [kg]

θ = θB Góc lật ở thân robot [rad]

L Khoảng cách từ trọng tâm thân robot đến trục z của

CL CR Moment tác dụng của động cơ kết nối với bánh xe [Nm]

Hình 2.4 Mô hình phân tích của robot 2 bánh tự cân bằng

HTL ,HTR Lực ma sát giữa bánh xe trái, phải với mặt đường [Nm]

Xét ở bánh xe bên trái (bên phải tương tự)

Sử dụng Định luật 2 Newton lần lượt theo các trục x, trục y và trục quay của bánh xe:

Từ phương trình (20), (24) và thay ta có hệ phương trình mô

( ) ( ̇) ( ) ( ( ( ) ) ( ( ) ) )

( ( ( ))( )) ̈ ( )( ̇) ( ( ))( ) ( ( ( )( ( ) )) )

23

2.3 Lý thuyết điều khiển

Lý thuyết điều khiển tự động là cơ sở lý thuyết của một ngành khoa học, nó nghiên cứu những nguyên tắc thành lập hệ tự động và các qui luật của các quá trình xảy ra trong hệ Từ đó xây dựng được các hệ tối ưu hoặc gần tối ưu bằng những phương pháp kỹ thuật, đồng thời nghiên cứu quá trình tĩnh và động của hệ thống đó

[1][2]

Với những phương pháp hiện đại của lý thuyết điều khiển tự động, ta có thể lựa chọn được cấu trúc hệ thống hợp lý, xác định trị số tối ưu của các thông số Đánh giá tính ổn định và các chỉ tiêu chất lượng trong quá trình điều khiển

Hệ thống điều khiển được thiết kế nhằm tự thực thi mệnh lệnh như thế nào và đến mức nào của hệ thống Thiết kế hệ thống là thay đổi các tham số mà hệ thống kiểm soát để phù hợp với mục tiêu ổn định, đặc trưng và bền vững Tham số thiết kế có thể là một hằng số không biết trong hàm truyền của bộ điều khiển, hoặc ma trận trạng thái đặc trưng

Có hai kiểu hệ thống điều khiển: hệ thống điều khiển vòng hở và hệ thống điều khiển vòng kín

Các bộ điều khiển vòng kín có những ưu điểm so với các bộ điều khiển vòng

hở là:

- Loại trừ nhiễu (như ma sát không đo được ở động cơ)

- Đảm bảo được thực hiện ngay cả với mô hình không chắc chắn, khi cấu trúc

mô hình không phù hợp hoàn hảo với quá trình thực và các thông số mô hình không chính xác

- Các chu trình không ổn định có thể ổn định hóa

- Giảm độ nhạy cho các thông số biến đổi

- Kết quả theo dõi đặt trước được cải thiện

Trong một vài hệ thống, điều khiển vòng kín và điều khiển vòng hở được sử dụng đồng thời Trong những hệ thống như vậy, điều khiển vòng hở được nằm trong vòng tiến nhằm nâng cao kết quả theo dõi giá trị đặt trước Một cấu trúc điều khiển kín phổ biến là bộ điều khiển PID

24

2.3.1 Lý thuyết cổ điển

Lý thuyết cổ điển sử dụng phân tích trong miền tần số: để tránh các vấn đề của bộ điều khiển vòng hở, lý thuyết điều khiển đề xuất khái niệm phản hồi Một bộ điều khiển vòng kín sử dụng tín hiệu phản hồi để điều khiển trạng thái hoặc đầu ra của một hệ thống động lực Sử dụng tín hiệu đầu ra đo được bởi hệ thống cảm biến và được xử lý bởi bộ điều khiển; kết quả được sử dụng làm đầu vào cho chu trình xử lý, đóng kín vòng lặp[28]

2.3.2 Lý thuyết hiện đại

Lý thuyết điều khiển hiện đại sử dụng mô tả không gian trạng thái trong miền thời gian, một mô hình toán học của một hệ thống vật lý như là một cụm đầu vào, đầu

ra và các biến trạng thái quan hệ với phương trình trạng thái bậc một Để trừu tượng hóa từ số lượng đầu vào, đầu ra và trạng thái, các biến và biểu thức như vector và phương trình vi phân, phương trình đại số được viết dưới dạng ma trận (những thứ sau chỉ có thể thực hiện khi hệ thống động lực là tuyến tính) Không giống như xấp xỉ miền tần số, việc sử dụng biểu diễn không gian trạng thái không bị giới hạn với hệ thống bằng các thành phần tuyến tính và các điều kiện zero ban đầu "Không gian trạng thái" đề cập đến không gian mà các hệ trục là các biến trạng thái Trạng thái của

hệ thống có thể được biểu diễn như một vector trong không gian đó.[9]

2.4 Giải thuật điều khiển PID

2.4.1 Bộ điều khiển PID

Là bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (PID- Proportional Integral Derivative) [12]có một cơ chế phản hồi vòng điều khiển tổng quát, được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp – bộ điều khiển PID được sử dụng phổ biến nhất trong

số các bộ điều khiển phản hồi Một bộ điều khiển PID tính toán một giá trị "sai số" là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào[30] [4] Tuy nhiên, để đạt được kết quả tốt nhất, các thông số PID sử dụng trong tính toán phải điều chỉnh theo tính chất của hệ thống-trong khi kiểu điều khiển là giống nhau, các thông số phải phụ thuộc vào đặc thù của hệ thống (Hình 2.5)

25

2.4.2 Giải thuật PID

Giải thuật PID bao gồm 3 thông số riêng biệt, do đó đôi khi nó còn được gọi

là điều khiển ba khâu: các giá trị tỉ lệ, tích phân và đạo hàm, viết tắt là P, I, và D Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại, giá trị tích phân xác định tác động của

tổng các sai số quá khứ, và giá trị vi phân xác định tác động của tốc độ biến đổi sai số Tổng cuối cùng của ba tác động này được dùng để điều chỉnh quá trình thông qua một phần tử điều khiển như vị trí của van điều khiển hay bộ nguồn của phần tử gia nhiệt Nhờ vậy, những giá trị này có thể làm sáng tỏ về quan hệ thời gian: P phụ thuộc vào sai số hiện tại, I phụ thuộc vào tích lũy các sai số quá khứ, và D dự đoán các sai

số tương lai, dựa vào tốc độ thay đổi hiện tại.[29]

Bằng cách điều chỉnh 3 hằng số trong giải thuật của bộ điều khiển PID, bộ điều khiển có thể dùng trong những thiết kế có yêu cầu đặc biệt Đáp ứng của bộ điều khiển

có thể được mô tả dưới dạng độ nhạy sai số của bộ điều khiển, giá trị mà bộ điều khiển vọt lố điểm đặt và giá trị dao động của hệ thống

Vài ứng dụng có thể yêu cầu chỉ sử dụng một hoặc hai khâu tùy theo hệ thống Điều này đạt được bằng cách thiết đặt đội lợi của các đầu ra không mong muốn về 0 Một bộ điều khiển PID sẽ được gọi là bộ điều khiển PI, PD, P hoặc I nếu vắng mặt các tác động bị khuyết Bộ điều khiển PI khá phổ biến, do đáp ứng vi phân khá nhạy đối với các nhiễu đo lường, trái lại nếu thiếu giá trị tích phân có thể khiến hệ thống không đạt được giá trị mong muốn

P 𝐾p 𝑒(𝑡)

I 𝐾𝑖 𝑒(𝑡)𝑑𝑡𝑡

D 𝐾𝑑𝑑𝑒(𝑡)𝑑𝑡

∑ Error Setpoint

26

Thời kỳ đầu của điểu khiển quá trình tự động bộ điều khiển PID đã được thực thi bởi một thiết bị cơ khí Các bộ điều khiển cơ khí này sử dụng một đòn bẩy, lò xo và một khối chất và thường được kích thích bằng khí nén Những bộ điều khiển bằng khí này đã từng là tiêu chuẩn trong công nghiệp

Hàm truyền của bộ điều khiển PID như sau:

( ) p Trong đó:

p: Độ lợi khâu tỷ lệ : Độ lợi khâu tích phân : Độ lợi khâu vi phân Đặc tính của bộ điều khiển PID

Thành phần tỉ lệ ( p) có tác dụng làm tăng hay giảm tốc độ đáp ứng của hệ, chứ không triệt tiêu sai số xác lập của hệ (steady-state error)

Thành phần tích phân ( ) có tác dụng triệt tiêu sai số xác lập nhưng có thể làm giảm tốc độ đáp ứng của hệ

Thành phần vi phân ( ) làm tăng độ ổn định hệ thống, giảm độ vọt lố và cải thiện tốc độ đáp ứng của hệ

đủ thời gian xử lý Tuy nhiên, quá lớn sẽ gây mất ổn định Cuối cùng, tăng , 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, quá lớn sẽ gây đáp ứng dư và vọt