Thiết kế bộ điều khiển phi tuyến cho xe hai bánh tự cân bằng

II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nghiên cứu, mô hình hóa hệ thống, thiết kế bộ điều khiển trượt cho xe hai bánh tự cân bằng.. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng, luận văn với nội dung: “Thiết k

NGÔ TRƯỜNG CỬU

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN CHO

XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG

LUẬN VĂN THẠC SỸ Chuyên ngành : Kỹ thuật Cơ – điện tử

Mã số ngành : 60520114

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 02 năm 2015

NGÔ TRƯỜNG CỬU

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN CHO

XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG

LUẬN VĂN THẠC SỸ Chuyên ngành : Kỹ thuật Cơ – điện tử

Mã số ngành : 60520114

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 02 năm 2015

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP HCM ngày 28 tháng 03 năm 2015

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)

TP HCM , ngày tháng năm 20

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGÔ TRƯỜNG CỬU Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 16/01/1976 Nơi sinh: Bắc Thái Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử MSHV: 1341840003 I- TÊN ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂNPHI TUYẾN CHO XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Nghiên cứu, mô hình hóa hệ thống, thiết kế bộ điều khiển trượt cho xe hai bánh tự cân bằng

Chương 1: Mở đầu

Chương 2: Tổng quan về xe hai bánh tự cân bằng

Chương 3: Mô hình toán học xe hai bánh tự cân bằng

Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển

Chương 5: Mô phỏng trên Matlab

Chương 6: Cơ cấu chấp hành và cảm biến

Chương 7: Triển khai mô hình

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng, luận văn với nội dung:

“Thiết kế bộ điều khiển phi tuyến cho xe hai bánh tự cân bằng”

là công trình nghiên cứu của riêng tôi, dưới sự hướng dẫn của TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG

Các số liệu, kết quả mô phỏng nêu trong luận văn là trung thực, có nguồn trích dẫn chỉ rõ nguồn gốc và chưa được công bố trong các công trình nghiên cứu khác

Học viên thực hiện Luận văn

NGÔ TRƯỜNG CỬU

LỜI CÁM ƠN

Sau thời gian học tập và nghiên cứu tại trường, nay tôi đã hoàn thành đề tài tốt nghiệp cao học của mình Để có được thành quả này, tôi đã nhận được rất nhiều

sự hỗ trợ và giúp đỡ tận tình từ thầy cô, gia đình và bạn bè

Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy cô khoa Quản Lý Khoa Học - Đào Tạo Sau Đại Học, quý Thầy cô khoa Cơ - Điện - Điện Tử Trường Đại Học Công Nghệ TP.HCM đã tận tình giúp đỡ, hỗ trợ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Với lòng tri ân sâu sắc, tôi muốn nói lời cám ơn đến Thầy TS Nguyễn Thanh Phương, người đã nhiệt tình hướng dẫn và chỉ bảo cho tôi trong suốt thời gian thực hiện nghiên cứu này

Tp Hồ Chí Minh, tháng 02 năm 2015

Người thực hiện luận văn

NGÔ TRƯỜNG CỬU

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Trong luận văn này, một bộ điều khiển trượt ổn định hóa được đề xuất để điều khiển giữ thăng bằng và bộ điều khiển gán cực điểm được sử để điều khiển góc chuyển hướng cho xe hai bánh

Luận văn trình bày ba vấn đề

 Đầu tiên, bộ điều khiển trượt ổn định hóa được thiết kế để vector sai số tiệm cận

về zezo

 Thứ hai, bộ điều khiển gán cực điểm được thiết kế, bộ điều khiển này làm cho

xe bám theo góc chuyển hướng mong muốn

 Sau cùng, mô phỏng và kết quả thực nghiệm được trình bày để chứng minh tính hiệu quả của bộ điều khiển được đề xuất

ABSTRACT

In this paper, a stabilization-sliding mode controller is proposed to control balance and pole-placement controller is used to control angle-navigation for two-wheelers.This thesis presents three issues

• First, the stabilization-sliding mode controller is designed to make the error vector go to zero asymptotically

• Second, the pole-placement controller is designed, this controller driver follows angle-navigation desired

• Finally, the simulations and experimental results are shown to prove the effectiveness of the proposed controller

MỤC LỤC

Lời cam đoan i

Lời cảm ơn ii

Tóm tắt luận văn iii

Abstract iv

Mục lục v

Danh mục bảng biểu vii

Danh mục hình ảnh viii

Chương 1 Mở đầu 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.3 Mục tiêu của đề tài 1

1.4 Nội dung nghiên cứu 1

1.5 Phương pháp luận 2

1.6 Phương pháp nghiên cứu 2

1.7 Nội dung luận văn 2

Chương 2 Tổng quan về xe hai bánh tự cân bằng 3

2.1 Sơ lược về xe hai bánh tự cân bằng 3

2.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu 5

2.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới: 5

2.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 13

2.3 Nhận xét và hướng tiếp cận 13

Chương 3 Mô hình toán học của xe hai bánh tự cân bằng 14

3.1 Cấu trúc 14

3.2 Xây dựng phương trình động học 15

3.3 Sơ đồ mô phỏng của đối tượng điều khiển trên Matlab 20

Chương 4 Thiết kế bộ điều khiển 21

4.1 Thiết kế bộ điều khiển cân bằng 21

4.2 Thiết kế bộ điều khiển chuyển hướng 22

Chương 5 Mô phỏng trên Matlab 21

5.1 Sơ đồ mô phỏng trên Matlab 24

5.2 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển giữ thăng bằng 24

5.3 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển chuyển hướng 26

5.4 Kết luận 26

Chương 6 Cơ cấu chấp hành và cảm biến 27

6.1 Mô hình động cơ điện một chiều 27

6.2 Hệ thống cảm biến và bộ lọc 28

6.2.1 Cảm biến vận tốc góc 28

6.2.2 Cảm biến gia tốc 28

6.2.3 Các phương pháp lọc tín hiệu từ cảm biến 29

Chương 7 triển khai mô hình 33

7.1 Sơ đồ tổng quát của hệ thống 33

7.2 Sơ đồ mạch điện 33

7.3 Động cơ 34

7.4 Cảm biến MPU6050 35

7.5 Modul khiển động cơ LMD18200 35

7.6 Bánh xe 36

7.7 Mô hình thực tế 37

7.8 Phần mềm 37

7.9 Lưu đồ giải thuật 42

7.10 Kết quả thực hiện mô hình 43

TÀI LIỆU THAM KHẢO 44

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Trang

Bảng 3.1 Giá trị thông số của mô hình 15

Bảng 5.1 Các thông số mô phỏng của mô hình 24

Bảng 7.1 Các thông số kỹ thuật của động cơ 34

Bảng 7.2 Các thông số kỹ thuật của cảm biến vận tốc góc và gia tốc góc 34

Bảng 7.3 Các thông số kỹ thuật của Modul điều khiển động cơ 35

Bảng 7.4 Các thông số kỹ thuật của bánh xe 36

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Trang

Hình 4.1: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển giữ cân bằng 22 Hình 4.2: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển chuyển hướng 23

Hình 5.2: Góc nghiêng và tín hiệu điều khiển với giá trị ban đầu = /8 25 Hình 5.3: Góc nghiêng và tín hiệu điều khiển khi bám theo góc = /8 25 Hình 5.4: Góc Delta và tín hiệu điều khiển khi bám theo góc δ = /4 26

Hình 6.2: Mô hình tính toán góc nghiêng từ cảm biến gia tốc 29

Hình 7.1: Sơ đồ tổng quát 33

Hình 7.4: Modul cảm biến vận tốc góc và gia tốc góc 35

Xây dựng được một phương tiện vận chuyển có thể di chuyển trong khu vực chật hẹp, trong các chung cư, tòa nhà cao tầng, dùng trợ giúp di chuyển cho người già, và trẻ em Làm phương tiện vận chuyển hàng 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 Kết hợp trên các humanoid robot, robot camera, robot dò đường thì hiệu quả các công dụng cụ thể cực kỳ linh hoạt

1.3 Mục tiêu của đề tài

- Tìm hiểu về các loại xe hai bánh tự cân bằng, nguyên lý cơ bản về cân bằng

- Tính toán các tham số động lực học, hàm trạng thái của mô hình

- Xây dựng bộ điều khiển trượt ổn định hóa nhằm mục đích điều khiển dựa trên

mô hình này sao cho đặc tính và đáp ứng mong muốn ngõ ra của hệ thống điều khiển là tốt nhất, giảm thiểu được chattering, đảm bảo một hành trình bền vững cho hệ thống

- Mô phỏng trên Matlab để kiểm nghiệm sự đúng đắn của thuật toán nêu ra

- Triển khai thực hiện trên mô hình thu nhỏ

1.4 Nội dung nghiên cứu

- Mô hình hóa hệ thống

- Thiết kế bộ điều khiển trượt ổn định hóa

- Mô phỏng trên Matlab để kiểm nghiệm

- Triển khai trên mô hình

1.5 Phương pháp luận

- Tìm hiểu bộ điều khiển trượt ổn định hóa

- Luận văn này cung cấp một mô hình điều khiển xe hai bánh tự cân bằng có thể ứng dụng trong thực tế

1.6 Phương pháp nghiên cứu

- Thu thập và đọc hiểu các tài liệu liên quan từ cán bộ hướng dẫn, sách, các bài báo và tài liệu trên internet v.v

- Nghiên cứu mô hình động học của xe hai bánh tự cân bằng

- Nghiên cứu phần mềm Matlab

1.7 Nội dung luận văn

Nội dung luận văn gồm 4 chương:

- Chương 1: Mở đầu

- Chương 2: Tổng quan về xe hai bánh tự cân bằng

- Chương 3: Mô hình toán học xe hai bánh tự cân bằng

- Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển

- Chương 5: Mô phỏng Matlab

- Chương 6: Cơ cấu chấp hành và cảm biến

- Chương 7: Triển khai mô hình

Chương 2 TỔNG QUAN VỀ XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG

2.1 Sơ lược về 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 (bao gồm cả người sử dụng chúng) cần được giữ nằm ngay giữa các bánh xe

Hình 2.1 Mô tả nguyên lý giữ thăng bằng [15]

Thực ra, trọng tâm của toàn bộ xe không được biết nằm ở vị trí nào, cũng không có cách nào tìm ra nó, và có thể không có khả năng di chuyển bánh xe đủ nhanh để giữ nó luôn ở dưới toàn bộ trọng tâm

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 khi ấy là 00)

Hình 2.2 Mô tả cách bắt đầu di chuyển [15]

Nếu tay lái được đẩy hơi nghiêng tới trước, xe sẽ chạy tới trước và khi nó được đẩy nghiêng ra sau, xe sẽ chạy lùi Đây là một phân tích lý tính Hầu hết mọi người đều có thể kiểm soát tay lái trong vòng vài giây để giữ lấy nó

Để dừng lại, chỉ cần kéo trọng tâm xe nghiêng ngược hướng đang di chuyển thì tốc độ xe giảm xuống Do tốc độ cảm nhận và phản ứng thăng bằng của mỗi người

là khác nhau, nên xe hai bánh tự cân bằng chỉ được thiết kế cho một người sử dụng

2.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu:

2.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới:

Trên thế giới, ở một vài nước, các kỹ thuật viên và một số sinh viên đã nghiên cứu và cho ra đời các dạng xe hai bánh như thế Dưới đây là một số thông tin về chúng

 Balance bot I[30]

Balance-bot I (do Sanghyuk, Hàn Quốc thực hiện) là một robot hai bánh tự cân bằng bằng cách kiểm soát thông tin phản hồi Hệ thống cao 50cm Khung chính được làm bằng nhôm Nó có hai trục bánh xe nối với hộp giảm tốc và động cơ DC cho sự phát động Tổng cộng có ba bộ vi xử lý Atmel được sử dụng Vi điều khiển chính (master) thi hành những nguyên lý kiểm soát và thuật toán ước lượng Một vi điều khiển khác kiểm soát tất cả cảm biến analog Vi điều khiển thứ ba điều khiển động cơ DC

Hình 2.4: Balance bot I

 Balancing robot (Bbot[28])

Hình 2.5: Bbot

Vào năm2003, Jack Wu và Jim Bai 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 như luận văn tốt nghiệp Robot này có thể xác định vị trí hướng của nó đối với môi trường và lái động cơ theo hướng này

 JOE [20]

Hình 2.6: JOE

Phòng thí nghiệm điện tử công nghiệp của Viện Công nghệ Federal, Lausanne, Thụy Sĩ, đã tạo ra cuộc cách mạng đầu tiên khi xây dựng mô hình xe hai bánh Robot JOE 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

xe sẽ di chuyển về phía ngã và thẳng góc với chính nó

 Segway [25]

Hình 2.10: Segway

Không giống như một chiếc xe hơi, Segway chỉ có hai bánh – trông nó như một chiếc xe đẩy bằng tay thông thường – nó còn kiểm soát hoạt động ở tư thế thẳng đứng Để di chuyển đến trước hay lùi ra sau, người lái đứng trên Segway chỉ việc hơi nghiêng về phía trước hay phía sau Để quẹo trái hay phải, người lái quay tay lái qua hướng cần di chuyển

Hình 2.11: Balancing scooter

 HTV [20]

Hình 2.12: HTV

Nhóm sinh viên ngành kỹ thuật HTV của trường đại học Camosun gồm các thành viên Brian Beckwith, Eric Desjardins, Chris Howard, Joel Murphy, Matt Uganecz, Jack Woolley đến từ các bang khác nhau Victoria, British Columbia của Canada.Tháng 3/2004, họ đã cho ra đời sản phẩm scooter HTV như một đề án tốt nghiệp đại học của họ

 Spider [22]

Hình 2.13: Spider

Francisco Lobo cho ra đời Spider vào cuối tháng 2/2004, trông giống là scooter hơn là robot, tuy nhiên nó có ứng dụng trong cả hai lĩnh vực Nó có thể giữ cân bằng hầu như ở mọi tình huống, di chuyển, lượn vòng quanh Scooter được điều khiển bằng hai động cơ của hãng NPC và gia tốc kế hai trục bằng thiết bị analog, chứa hai thành phần chính: cảm biến Gyro kỹ thuật silicon và BasicX (vi điều khiển) Khung xe được chế tạo từ khung nhôm và sợi carbon Bộ lái MOSFET động cơ lái là module từ Roboteq được dùng trên robot chiến đấu Nguồn điện là loại dùng trong mô hình RC (NiMh 3000mAh)

2.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Hiện nay chưa có thông tin cụ thể nào về việc chế tạo và thương mại hóa xe hai bánh tự cân bằng dùng trên robot cũng như xe hai bánh tự cân bằng ở Việt Nam Các đề án về xe hai bánh tự cân bằng chỉ dừng lại trên mô hình tại các phòng thí nghiệm của các trường đại học

2.3 Nhận xét và hướng tiếp cận

Nhận xét: qua các công trình nghiên cứu của các tác giả đã nêu trên, ta nhận thấy rằng có rất nhiều phương pháp để giải quyết vấn đề điều khiển cho xe hai bánh tự cân bằng Tuy nhiên, mỗi phương pháp đều có ưu, khuyết điểm được thể hiện qua kết quả mô phỏng mà các bài báo cũng đã chỉ ra

Hướng tiếp cận: xây dựng bộ điều khiển trượt ổn định hóa cho xe hai bánh tự cân bằng nhằm điều khiển giữ thăng bằng, xây dựng bộ điều khiển gán cực điểm

để bám theo góc chuyển hướng mong muốn

3.2 Xây dựng phương trình động học

Bảng ký hiệu và các thông số của mô hình sử dụng trong đề tài:

MWL, MWR, MW Khối lượng bánh xe trái, phải MWL = MWR = MW 0.05 [Kg]

RWL, RWR Bán kính bánh xe trái, phải RWL = RWR = RW 0.048 [m]

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

JB Moment quán tính của thân xe quay quanh trục z [Kg.m 2 ]

JW Moment quán tính của bánh xe quay quanh trục z [Kg.m 2 ]

Bảng 3.1: Các thông số của mô hình

 Xét tại thân xe:

Vị trí của trọng tâm xe theo trục x:

M B ̈B = V L + V R –M B g + sin(θ B ) (3.20)

=> VL + V R = M B ̈B + M B g - sin(θ B ) (3.21)

J B ̈ B = (V L + V R ) L sin(θ B ) – (H L +H R ) L cos(θ B ) – (C L + C R ) (3.22) Góc quay của xe quanh trục y (góc chuyển hướng):

Từ các phương trình (3.27), (3.33), (3.43) thay θB = θ; = x, ta có hệ phương

trình mô tả hệ thống như sau: