Tính toán thiết kế mô hình xe hai bánh tự cân bằng theo phương pháp con quay hồi chuyển

Sau một thời gian nghiên cứu nhóm đã bước đầu thành công trong việc nghiên cứu và chế tạo nhóm đã thành công trong việc nghiên cứu và chế tạo xe cân bằng sử dụng phương pháp cân bằng điề

SVTH: LÊ VĂN TẠO MSSV: 13145227 GVHD: Th.S VŨ ĐÌNH HUẤN

Tp Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Chuyên ngành: công nghệ Kỹ thuật ô tô

Tên đề tài: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG THEO PHƯƠNG PHÁP CON

QUAY HỒI CHUYỂN

SVTH: VÕ NHẬT NAM MSSV: 13145166

SVTH: LÊ VĂN TẠO MSSV: 13145227 GVHD: Th.S VŨ ĐÌNH HUẤN

Tp Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2017

Họ tên sinh viên: 1 Võ Nhật Nam MSSV: 13145166

2 Lê Văn Tạo MSSV: 13145227 Chuyên ngành: Cơ khí động lực Mã ngành đào tạo: 52510205

1 Tên đề tài: Tính toán thiết kế mô hình xe hai bánh tự cân bằng theo phương pháp con quay hồi chuyển

2 Nhiệm vụ đề tài: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và thực hiện mô hình xe cân bằng

nhằm tìm hiểu nguyên lý hoạt động của xe cân bằng Áp dụng những phần mềm

hỗ trợ như Arduino, Matlab, Solidworks PID, vào trong mô hình thực tế điều

khiển cân bằng

3 Sản phẩm của đề tài: Lý thuyết và Mô hình xe cân bằng

4 Ngày giao nhiệm vụ đề tài:

5 Ngày hoàn thành nhiệm vụ:

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Bộ môn ………

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP (Dành cho giảng viên hướng dẫn) Họ và tên sinh viên: Võ Nhật Nam MSSV: 13145166 Hội đồng:…………

Họ và tên sinh viên: Lê Văn Tạo MSSV: 13145227 Hội đồng:…………

Tên đề tài: Tính toán thiết kế mô hình xe hai bánh tự cân bằng theo phương pháp con quay hồi chuyển Ngành đào tạo: Công nghệ Kỹ thuật ô tô Họ và tên GV hướng dẫn: ThS Vũ Đình Huấn Ý KIẾN NHẬN XÉT 1 Nhận xét về tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên (không đánh máy)

2 Nhận xét về kết quả thực hiện của ĐATN(không đánh máy) 2.1.Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN:

2.2 Nội dung đồ án: (Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của đồ án, các hướng nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển)

2.3.Kết quả đạt được:

………

2.4 Những tồn tại (nếu có):

3 Đánh giá:

4 Kết luận:

 Được phép bảo vệ

 Không được phép bảo vệ

TP.HCM, ngày tháng 07 năm 2017

Giảng viên hướng dẫn ((Ký, ghi rõ họ tên)

Đ ng format với đ y đủ cả hình thức và nội dung của các mục 10

Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài 10

Tính cấp thiết của đề tài 10

Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ thuật, khoa

học hội

5

Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá 10

Khả năng thiết kế chế tạo một hệ thống, thành ph n, hoặc quy trình

đáp ứng yêu c u đưa ra với những ràng buộc thực tế

15

Khả năng cải tiến và phát triển 15

Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, ph n mềm chuyên ngành 5

3 Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề tài 10

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Bộ môn ………

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP (Dành cho giảng viên phản biện) Họ và tên sinh viên: Võ Nhật Nam MSSV: 13145166 Hội đồng…………

Họ và tên sinh viên: Lê Văn Tạo MSSV: 13145227 Hội đồng…………

Tên đề tài: Tính toán thiết kế mô hình xe hai bánh tự cân bằng theo phương pháp con quay hồi chuyển Ngành đào tạo: Công nghệ Kỹ thuật ô tô Họ và tên GV phản biện: (Mã GV)

Ý KIẾN NHẬN XÉT 1 Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN:

2 Nội dung đồ án: (Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của đồ án, các hướng nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển)

3 Kết quả đạt được:

4 Những thiếu sót và tồn tại của ĐATN:

………

5 Câu hỏi:

6 Đánh giá:

7 Kết luận:

 Đƣợc phép bảo vệ

 Không đƣợc phép bảo vệ

TP.HCM, ngày tháng 07 năm 2017

Giảng viên phản biện ((Ký, ghi rõ họ tên)

Đ ng format với đ y đủ cả hình thức và nội dung của các mục 10

Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài 10

Tính cấp thiết của đề tài 10

Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ thuật, khoa

học hội

5

Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá 10

Khả năng thiết kế, chế tạo một hệ thống, thành ph n, hoặc quy trình

đáp ứng yêu c u đưa ra với những ràng buộc thực tế

15

Khả năng cải tiến và phát triển 15

Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, ph n mềm chuyên ngành 5

3 Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề tài 10

Họ và tên Sinh viên: 1 Võ Nhật Nam MSSV: 13145166

2 Lê Văn Tạo MSSV: 13145227 Ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tô

Sau khi tiếp thu và điều chỉnh theo góp ý của Giảng viên hướng dẫn, Giảng viên phản biện và các thành viên trong Hội đồng bảo về Đồ án tốt nghiệp đã được hoàn chỉnh đúng theo yêu cầu về nội dung và hình thức

Chủ tịch Hội đồng:……… ………

Giảng viên hướng dẫn: ……… ………

Giảng viên phản biện: ……… .………

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng… năm 2017

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, chúng em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy

Vũ Đình Huấn bộ môn Điện Tử Ô tô trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh

Trong suốt thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp, mặc dù rất bận rộn trong công việc nhưng thầy vẫn giành rất nhiều thời gian và tâm huyết trong việc hướng dẫn chúng em Thầy đã hỗ trợ cho chúng em rất nhiều kiến thức và tài liệu khi chúng em bắt đầu bước vào thực hiện đồ án Trong quá trình thực hiện đồ án thầy luôn định hướng, góp ý và sửa chữa chỗ sai, giúp chúng em không bị lạc lối trong biển kiến thức mênh mông

Đồ án tốt nghiệp của chúng em đã được hoàn thành, cũng chính nhờ sự nhắc nhở, đôn đốc, sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy, cũng như sự chỉ bảo, tạo điều kiện thuận lợi về mặt tinh thần và tài liệu nghiên cứu Bên cạnh đó là sự giúp đỡ của các thầy trong bộ môn đã hỗ trợ để em có thể hoàn thành tốt nhất luận văn của mình Luận văn

đã hoàn thành theo dự kiến Tuy nhiên do khả năng còn nhiều hạn chế, thời gian thực hiện có hạn và vì một số lý do khách quan khác nên chắc chắn không thể tránh khỏi những sai sót Rất mong nhận được sự thông cảm và góp ý của các thầy trong bộ môn

và các bạn sinh viên

Một lần nữa chúng em xin được bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới quý thầy cô trong khoa, quý thầy cô bộ môn, đặc biệt là thầy giáo hướng dẫn Vũ Đình Huấn đã giúp đỡ chúng em hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp của mình

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Nhằm nâng cao tính năng tiết kiệm năng lượng và những tác động tới môi trường xanh xung quanh, những phương tiện giao thông hằng ngày cần phải được phát triển với tính năng ít khí thải cac-bon Xe hai bánh như xe máy, và mô-tô có nhiều khả năng hơn những chiếc xe hơi truyền thống; tuy nhiên, khả năng này tùy thuộc chủ yếu vào sự khác nhau về mặt vật lý của chúng, giảm khối lượng, ma sát mặt đường ít hơn

và giảm lực kéo Hơn thế nữa, nhiều người sử dụng không muốn hoặc không thể vận hành xe máy hoặc mô-tô bởi vì sự e ngại thời tiết, gió; những vấn đề an toàn thậm chí

là tai nạn, và những kỹ năng yêu cầu để cho xe cân bằng trong suốt quá trình sử dụng

Có thể nói, Việt Nam là một nước có rất nhiều xe máy nói riêng và xe hai bánh nói chung Việc xảy ra tai nạn và những vấn đề không an toàn trong khi lái xe không nhỏ, trong các nguyên nhân thì kỹ năng giữ xe cân bằng không bị nghiêng ngã hoặc là trượt, va chạm nhẹ khiến xe đỗ ngã

Giải pháp để giảm thiểu tình trạng này, cho phép người lái xe không cần phải sử dụng chân của mình quá nhiều trong khi xe đang chạy ở tốc độ chậm hoặc là những tác động khác như gió mạnh… Giải pháp nhắc tới đó là bổ sung thêm một bánh xe nhỏ đê ổn định xe và được điều khiển điện tử, đây cũng là giải pháp giúp khắc phục tối đa hiệu suất năng lượng cho toàn bộ xe

TÓM TẮT

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG THEO

PHƯƠNG PHÁP CON QUAY HỒI CHUYỂN

1 Tóm tắt

Hiện nay sự phát triển của xe cân bằng là vô cùng mạnh mẽ trong tương lai loại

xe cân bằng sẽ dần thay thế các xe thông thường để thành phương tiện đi lại thông dụng vừa an toàn vừa tiện lợi Nhận thấy tính quan trọng của xe cân bằng nhóm đã nghiên cứu lý thuyết và thực hiện mô hình xe cân bằng là mô hình xe cân bằng điều khiển góc xoay bánh đà

Sau một thời gian nghiên cứu nhóm đã bước đầu thành công trong việc nghiên cứu và chế tạo nhóm đã thành công trong việc nghiên cứu và chế tạo xe cân bằng sử

dụng phương pháp cân bằng điều khiển góc xoay bánh đà

2 Nội dung phương pháp:

0

m h m h I I

0 I B

Từ các hệ số State space trên ta mô

phỏng lập trình trong matlab Simulink

Đồ thị thể hiện PID ứng với góc nghiêng của xe

Hướng phát triển mô hình:

- Hoàn thiện phần thiết kế chi tiết đạt yêu cầu, thiết kế thêm bộ nguồn riêng cho xe

và chọn hệ số PID điều khiển phù hợp Để xe được giữ thăng bằng ổn định hơn và đáp ứng được góc nghiêng xe rộng hơn

- Hướng cho mô hình xe có thể tự cân bằng khi di chuyển và lúc xe vào khúc cua

- Hướng phát triển đề lắp thêm một bánh đà giúp xe ổn định được tốt hơn

- Hướng cho xe cân bằng có thể chạy tự động và né vật cản hay điều khiển từ xa bằng bộ điển khiển…

MỤC LỤC

LỜICẢMƠN i

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI ii

TÓM TẮT iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤCCÁCCHỮCÁIVIẾTTẮTVÀKÝ HIỆU v

DANH MỤCCÁCHÌNH vi

DANH MỤCCÁCBẢNG vii

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Tình hình nghiên cứu và chế tạo xe cân bằng trong và ngoài nước 1

1.3 Mục đích nghiên cứu 3

1.4 Đối tượng nghiên cứu 3

1.5 Nhiệm vụ nghiên cứu 4

1.6 Phạm vi nghiên cứu 4

1.7 Giả thuyết khoa học 4

1.8 Phương pháp nghiên cứu 4

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6

2.1 Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm các phương pháp cân bằng xe bằng con quay hồi chuyển 6

2.2 Cơ sở lý thuyết giao tiếp I2C 31

2.3 Cơ sở lý thuyết thuật toán PID 32

CHƯƠNG 3: NỘI DUNG THỰC HIỆN 38

3.1 Thiết kế mô phỏng mô hình hóa 38

3.2 Dựng thiết kế 2D và 3D trên phần mềm SolidWork 43

3.3 Mô hình thực tế 47

3.4 Phương pháp điều khiển 56

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 67

4.1 Những hạn chế 67

4.2 Hướng phát triển mô hình 67

4.3 Nhận định trong tương lai 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

PHỤ LỤC 70

DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

Analog Tín hiệu kiểu liên tục

I Mô men quán tính của xe

MPU6050 Cảm biến góc nghiêng

PSO Phương pháp điều khiển kiều PSO

PIO Mode Kiểu vận chuyển dữ liệu

i

Q Tổng ngoại lực

SbRIO Bo mạch chủ SbRIO

T Tổng động năng của hệ thống

Tm Mô men xoắn đƣợc tạo ra bởi động cơ

V: Tổng năng lƣợng tiềm năng

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Bicycle Robot Murata Boy 2

Hình 1.2 Xe cân bằng của Litmotor 2

Hình 1.3 Xe cân bằng của PGS TS Bùi Trung Thành 3

Hình 2.1 Con quay hồi chuyển 6

Hình 2.2 Các lực tác động lên con quay 7

Hình 2.3 Mô hình xe cân bằng dạng con quay hồi chuyển nằm ngang 10

Hình 2.4 Sơ đồ điều khyển 11

Hình 2.5 Mô tả các lực tác động lên xe 12

Hình 2.6 Mô tả các lực tác động lên bánh đà 13

Hình 2.7 Thông số của xe 15

Hình 2.8 Đồ thị đáp ứng bước 15

Hình 2.9 Khả năng chống nhễu 16

Hình 2.10 So sánh PD và GA không sử dụng khối lượng 17

Hình 2.11 So sánh PD và GA có sử dụng khối lượng 17

Hình 2.12 Mô hình xe 18

Hình 2.13 Bicycle robot khi đang ở trạng thái nghiêng 19

Hình 2.14 Bánh đà khi quay 20

Hình 2.15 Động lực học xe 21

Hình 2.16 Thông số của xe 25

Hình 2.17 Phương pháp điều khiển 25

Hình 2.18 Thực nghiệm PID 26

Hình 2.19 P=37 D=0.04 27

Hình 2.20 P=42 D=0.04 27

Hình 2.21 P=47 D=0.04 27

Hình 2.22 Tóm tắt kết quả 28

Hình 2.23 Ảnh hưởng chuyển động đến góc cuộn 29

Hình 2.24 Mô tả chuyển động xe 29

Hình 2.25 Quan hệ giữa δ và a 30

Hình 2.26 Đồ thị quan hệ giữa δ và a 30

Hình 2.27 Hiệu chỉnh góc nghiêng xe khi xe chuyển hướng 31

Hình 2.28 Hai đường truyền tín hiệu của I2C 32

Hình 2.29 Sơ đồ thuật toán PID 33

Hình 2.30 Sự thay đổi trong khâu tỉ lệ 34

Hình 2.31 Sự thay đổi trong khâu tích phân 35

Hình 2.32 Sự thay đổi trong khâu vi phân 36

Hình 3.1 Các lực tác động lên x 38

Hình 3.2 Các lực tác động lên xe 38

Hình 3.3 Mô tả các lực tác động lên bánh đà 39

Hình 3.4 Sơ đồ Matlab 41

Hình 3.5 Đồ thị mô phỏng matlap Simulink với PID 41

Hình 3.6 Mô phỏng matlab 42

Hình 3.7 Kích thước của bánh đà 43

Hình 3.8 Kích thước của bánh đà 43

Hình 3.9 Hình dạng bánh 44

Hình 3.10 Cụm lắp ghép bánh 44

Hình 3.11 Cụm lắp ghép bánh đà 45

Hình 3.12 Khung xe thiết kế theo thông số bánh đà 46

Hình 3.13 Khung xe thiết kế hoàn chỉnh 46

Hình 3.14 Hình ảnh thực tế của xe 47

Hình 3.15 Động cơ dẫn động bánh đà 47

Hình 3.16 Động cơ xe đạp điện (động cơ dẫn động bánh đà) 48

Hình 3.17 Bản vẽ kỹ thuật của động cơ 48

Hình 3.18 Động cơ và bộ truyền động cho góc xoay bánh đà 49

Hình 3.19 Bộ bánh răng truyền động 50

Hình 3.20 Mạch khuếch đại của Encoder quang quay 50

Hình 3.21 Cảm biến vị trí góc nghiêng của bánh đà 51

Hình 3.22 Sơ đồ GY-521 chip MPU6050 52

Hình 3.23 Bộ điều khiển trung tâm kết hợp cảm biến góc nghiêng của xe 53

Hình 3.25 Cầu H – BTS7960 43A 55

Hình 3.26 Lưu đồ tín hiệu điều khiển bánh đà 58

Hình 3.27 Lưu đồ thuật toán điều khiển bánh đà dựa trên nguyên lý PID 58

Hình 3.28 Sơ đồ kết nối chân giữa cảm biến MPU 6050 và Arduino Uno R3 59

Hình 3.29 Tín hiệu khi cảm biến ở vị trí cần bằng và động cơ dẫn động bánh đà được khởi động 60

Hình 3.30 Tín hiệu khi thay đổi góc nghiêng của xe 60

Hình 3.31 Lưu đồ thiết lập góc đặt mong muốn cho bộ điều khiển PID 62

Hình 3.32 Lưu đồ tính toán tốc độ góc xoay bánh đà 63

Hình 3.33 Lưu đồ điều khiển động cơ điều khiển góc xoay bánh đà 64

Hình 3.34 Đồ thị thể hiện góc nghiêng của xe so với góc nghiêng mong muốn 65

Hình 3.35 Đồ thị thể hiện PID ứng với góc nghiêng của xe 65

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Thông số xe 42 Bảng 3.2 Cấu tạo của cụm bánh đà 45 Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật của động cơ: 48 Bảng 3.4 Thông số của động cơ: 49 Bảng 3.5 Thông số của Arduino Uno R3 54 Bảng 3.6 Thông số kỹ thuật: 55 Bảng 3.7 Sơ đồ kết nối chân giữa cảm biến MPU 6050 và Arduino Uno R3 59 Bảng 3.8 Sơ đồ nối chân giữa cảm biến Encoder và Arduino Uno R3 61

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Đặt vấn đề:

Nghiên cứu xe 2 bánh cân bằng đã có từ rất lâu trước đây và cho tới hiện nay vấn

đề này vẫn là đề tài nghiên cứu lớn trên thế giới Năm 1911 xe cân bằng đã được biết đến qua "Two Boys in a Gyrocar: The story of a New York to Paris Motor Race" tác giả là Kenneth Brown, (Houghton Mifflin Co) Tuy nhiên nguyên mẫu gyrocar đầu tiên xuất hiện năm 1912 bởi một luật sư và là thành viên gia đình hoàng gia Nga Từ đó cho đến nay “GYROCAR” luôn được nghiên cứu và phát triển với mong muốn cho ra đời dòng

xe phổ biến ứng dụng rộng rãi trong thực tế Tại triển lãm CES2014 Litmotor chính thức cho ra mắt mẫu xe cân bằng của mình và dự kiến sản xuất hàng loạt trong tương lai gần

Nhận thấy nghiên cứu xe cân bằng là một đề tài thực tiễn nhiều tiềm năng và là xu hướng mới trong nghiên cứu và thiết kế xe với mong muốn nghiên cứu và chế tạo một

mô hình xe hai bánh cân bằng nhóm chúng em đã bắt tay nghiên cứu lý thuyêt và thực hiện một mô hình xe cân bằng trên nền tảng adruino nhằm tìm hiểu về xe cân bằng

1.2 Tình hình nghiên cứu và chế tạo xe cân bằng trong và ngoài nước:

1.2.1 Ngoài nước:

Trong những năm gần đây, nghiên cứu về xe hai bánh tự cân bằng đã được nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm Trong đó một vấn đề khó khăn là nghiên cứu điều khiển cân bằng xe hai bánh Việc điều khiển cân bằng cho xe hai bánh có thể được ứng dụng để điều khiển cho robot đi bằng hai chân, như robot ASIMO vì nguyên tắc điều khiển cân bằng là như nhau Có nhiều nghiên cứu về điều khiển cân bằng xe hai bánh, ví

dụ như robot Murata Boy được phát triển tại Nhật bản năm 2005

Hình 1.1 Bicycle Robot Murata Boy

Một số phương pháp được sử dụng để điều khiển cân bằng cho xe hai bánh là cân bằng nhờ sử dụng bánh đà như trong các nghiên cứu của Beznos, Gallaspy năm 1999 và Suprapto năm 2006, cân bằng bằng cách di chuyển tâm trọng lực của Lee và Ham năm

2006 và cân bằng nhờ lực hướng tâm của Tanaka và Murakami năm 2004

Trong số các phương pháp đó, cân bằng nhờ sử dụng bánh đà có ưu điểm là đáp ứng nhanh và có thể cân bằng ngay cả khi xe không di chuyển Gần đây Litmotor đã cho

ra mẫu xe 2 bánh cân bằng được thương mại đầu tiên trong triển lãm CES2014

Hình 1.2 Xe cân bằng của Litmotor

1.2.2 Trong nước:

Sau khi xe cân bằng được triển lãm ở CES2014 ở Việt Nam cũng có rất nhiều đề tài nghiên cứu về xe cân bằng với nhiều phương pháp điều khiển khac nhau vi dụ như phương pháp dùng bánh đà cân bằng của thạc sĩ Vũ Ngọc Kiên trường đại hoc công nghiệp đại học thái nguyên,PGS TS Bùi Trung Thành

Hình 1.3 Xe cân bằng của PGS TS Bùi Trung Thành

1.3 Mục đích nghiên cứu:

Củng cố kiến thức chuyên môn, vận dụng và phát triển các kiến thức về lập trình

cơ bản (arduino) trong đề tài

Xây dựng mô hình về xe cân bằng làm phương tiện nghiên cứu cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về xe cân bằng

Ứng dụng các phần mềm MATLAB (Simulink…), SOLIDWORKS vào mô phỏng

và thiết kế mô hình

Đưa ra một hướng mới cho các nghiên cứu của sinh viên chuyên ngành oto về xu hướng phát triển xe hiện nay đó là xe cân bằng

1.4 Đối tượng nghiên cứu:

Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các loại xe cân bằng, động lực học cân bằng của con quay hồi chuyển

Thiết kế mô hình xe cân bằng loại 2 bánh 1 vết sử dụng nguyên lý cân bằng con quay hồi chuyển

Nghiên cứu các phần mềm như Solidworks, Matlab để áp dụng quá trình nghiên cứu xe cân bằng

1.5 Nhiệm vụ nghiên cứu:

Tìm hiều đầy đủ và chi tiết về nguyên lý con quay hồi chuyển, và phương pháp cân bằng xe bằng con quay hồi chuyển

Thiết kế mô hình xe cân bằng bằng phương pháp con quay hồi chuyển và thử nghiệm đo đạc trên mô hình

So sánh các thông số trên mô hình thực nghiệm và các thông số lý thuyết rút ra kết luận trực quan

1.6 Phạm vi nghiên cứu:

Nghiên cứu trong phạm vi giảng dạy cho sinh viên

Nghiên cứu từ tình hình thực tế các xe cân bằng hiện có trên thế giới và các nghiên cứu xe cân bằng đã có trước đó

Nghiên cứu từ các công trình nghiên cứu khoa học đã được công bố trước đó trên thế giới và trong nước

Nghiên cứu từ các tài liệu, giáo trình đang được dùng làm tài liệu tham khảo

Quy mô nghiên cứu đề tài trên cơ sở khai thác các trang thiết bị hiện có trong nhà trường và khai thác bên ngoài để hoàn thành đề tài

Không gian nghiên cứu: Trong trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp HCM

Thời gian nghiên cứu: 3 tháng

Nội dung nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết, thực hiện mô hình xe cân bằng

1.7 Giả thuyết khoa học:

Giả thiết ta đưa ra các giải pháp thiết kế chế tạo mô hình xe cân bằng Nhận định

sơ bộ các phương án dựa trên cơ sở quan sát, lựa chọn phương pháp cân bằng xe hợp lý phù hợp với điều kiện cơ sở kiểm chứng lại bằng thực nghiệm

1.8 Phương pháp nghiên cứu:

Nghiên cứu từ các nguồn tài liệu như sách, giáo trình, các bài giảng, các bản vẽ, sách tạp chí, nguồn tài liệu từ Internet

Nghiên cứu từ thực tiễn

Nghiên cứu từ thực nghiệm

Tham khảo ý kiến chuyên gia

==> Áp dụng các phương pháp nghiên cứu: Quan sát, tư duy, kiểm tra, thực nghiệm …

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm các phương pháp cân bằng xe bằng con quay hồi chuyển:

2.1.1 Lý thuyết về con quay hồi chuyển:

Hình 2.1 Con quay hồi chuyển

Con quay hồi chuyển là một thiết bị dùng để đo đạc hoặc duy trì phương hướng, dựa trên các nguyên tắc bảo toàn mô men động lượng Thực chất, con quay hồi chuyển là một bánh xe hay đĩa quay với các trục quay tự do theo mọi hướng

Phương hướng này thay đổi nhiều hay ít tùy thuộc vào mô men xoắn bên ngoài hơn là liên quan đến con quay có vận tốc cao mà không cần mô men động lượng lớn Vì mômen xoắn được tối thiểu hóa bởi việc gắn kết thiết bị trong các khớp vạn năng, hướng của nó duy trì gần như cố định bất kể so với bất kỳ chuyển động nào của vật thể mà nó tựa lên

Cũng có những con quay dựa trên các nguyên tắc vận hành như các thiết bị điện, con quay MEMS vi mạch đóng gói được tìm thấy trên các thiết bị sử dụng điện, laser vòng trạng thái rắn, con quay sợi quang học, và con quay lượng tử siêu nhạy

Các ứng dụng của con quay như các hệ định vị quán tính nơi mà la bàn từ không thể hoạt động (như trong kính thiên văn Hubble) hay không đạt đủ độ chính xác hay đối với sự ổn định hóa của các thiết bị bay như máy bay trực thăng được điều khiển bằng tín

hiệu radia hoặc máy bay không người lái Do có độ chính xác cao, con quay cũng được dùng để định hướng trong khai thác mỏ hầm lò

Con quay hồi chuyển đặc trưng bởi một số ứng xử như tiến động và chương động Con quay hồi chuyển có thể được sử dụng để làm la bàn con quay, loại bổ sung hoặc thay thế la bàn từ (trên tàu, máy bay và phi thuyền không gian), để hỗ trợ tính ổn định (kính thiên văn Hubble, xe đạp, xe máy và tàu thuyền) hoặc được sử dụng làm một bộ phận của

hệ dẫn đường quán tính Các hiệu ứng hồi chuyển được sử dụng trong boomerang, yo-yo,

và PowerBall Một số thiết bị quay khác như bánh đà cũng có cách hoạt động giống con quay hồi chuyển, mặc dù hiệu ứng hồi chuyển không được sử dụng

Hình 2.2 Các lực tác động lên con quay

Phương trình cơ bản mô tả quan hệ chuyển động của con quay hồi chuyển:

Với các vectơ τ và L tương ứng là mô men xoắn và mô men động lượng, đại lượng

vô hướng I là mô men quán tính, vec-tơ ω là vận tốc góc, và vectơ α là gia tốc góc

pxL

  

Dưới một mô men xoắn có độ lớn không đổi τ, vận tốc tiến động của con

pLsin

ảnh hưởng của ma sát), mô men động lượng của nó sẽ giảm và dẫn đến vận tốc tiến động tăng Quá trình này cứ tiếp tục cho đến khi thiết bị không thể quay đủ nhanh để chịu được sức nặng của nó, khi nó dừng lại và rơi, chủ yếu là do ma sát chống lại tiến động gây ra bởi một tiến động khác

Theo quy ước 3 vectơ mômen xoắn, quay và tiến động - hoạt động theo quy tắc bàn tay trái

Để dễ dàng xác định được hướng của hiệu ứng con quay hồi chuyển, chỉ cần nhớ rằng một bánh xe lăn có xu hướng, khi nó nghiêng sang một bên, ngược lại với hướng nghiêng

Nói một cách đơn giản khi ta cho bánh đà quay ở một tốc độ nhất đình thì nó sẽ tạo ra một mô men động lượng như sau:

L I

Nếu như ta thả con quay hoạt động tự do không hạn chế như hình 2.2 thì con quay hồi chuyển sẽ quay theo quỹ đạo hình tròn như hình 2.2 vì mô men xoắn sẽ chịu tác động bởi lực hấp dẫn trên con quay hồi chuyển và giữ cho nó không ngã trừ khi tốc độ bánh đà không đủ đáp ứng

Hiện nay các nghiên cứu về xe thăng bằng đều sử dụng nguyên lý con quay hồi chuyển để cân bằng xe có 3 phương pháp cân bằng chính đó là:

1 Điều khiển chủ động Bánh đà đặt song song với bánh xe

MOTOR DC và có tín hiệu chỉnh

2 Điều khiển chủ động Bánh đà đặt vuông góc với bánh xe

MOTOR DC và có tín hiệu chỉnh

3 Điều khuyển bị động bằng đối trọng cân bằng

bánh đà nhằm thay đổi góc nghiêng của bánh đà

2.1.2 Ứng dụng thực tế của con quay hồi chuyển:

Con quay hồi chuyển có rất nhiều loại khác nhau như:

Con quay hồi chuyển cơ điện tử

Con quay hồi chuyển cơ khí

Con quay hồi chuyển lượng tử loại 1

Con quay hồi chuyển lượng tử loại 2

Con quay hồi chuyển được dùng kết hợp với gia tốc kế trong các thiết bị di động hiện đại ngày nay, đặc biệt là điện thoại thông minh và máy tính bảng Gia tốc kế hỗ trợ việc tính toán gia tốc tuyến tính tương đối so với khung tham chiếu – hệ qui chiếu (frame

of reference)

Nó dùng để nhận biết thiết bị đang nằm ngang hay đang đứng, từ đó điều chỉnh

biến chuyển động như đua xe hoặc các trò chơi tương tác ảo

Ngoài ứng dụng trong các trò chơi điện tử, con quay hồi chuyển còn được dùng kết hợp với gia tốc kế trong la bàn điện tử ở các thiết bị di động Với sự kết hợp này, chúng ta có chiếc la bàn có độ nhạy và chính xác cao, lại không bị phụ thuộc vào từ trường xung quanh Dĩ nhiên trước khi sử dụng, chúng ta phải thực hiện thao tác gọi là

“calibrate” – căn chỉnh để điều hướng cho thiết bị

Ngoài ra cong quay hồi chuyển còn được áp dụng phổ biến trong thiết bị tân tiến như xe cân bằng, cảm biến góc nghiêng, gia tốc góc nghiêng, máy bay và các thiết bị hiện đại Ngày nay con quay hồi chuyển và hiệu ứng cũng như ứng dụng của nó được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khac nhau và con quay hôi chuyển được thiết kế ngày càng nhỏ gọn như trong cảm biên nghiêng MPU6050 hay trong các thiết bị di động hiện đại

2.1.3 Phương pháp cân bằng xe chủ động với bánh đà nằm ngang:

Hình 2.3 Mô hình xe cân bằng dạng con quay hồi chuyển nằm ngang

Mô hình trên được nghiên cứu bởi PGS TS Bùi Trung Thành và tham khảo từ mô hình xe cân bằng của viện công nghệ Châu Á mô hình được sửa đổi từ một chiếc xe đạp bình thường , mô hình được thiết kế để hoạt động như một chiếc xe đạp thông thường

Chiếc xe này có hơi khác so với các so với nguyên mẫu ở Viện công nghệ Chấu Á

vì vị trí con quay hồi chuyển không đặt ở trọng tâm xe mà lại đặt ở phía sau của xe, việc này gây mất cân bằng cho xe tuy nhiên vẫn điều khiển được

Bánh đà được thiết kế với khối lượng 8.1kg, đường kính 380mm, bánh đà có tác dụng tạo ra mô men xoắn giúp cân bằng xe Động cơ quay bánh đà là một motor DC 48V-200W-3600rpm Mô hình sử dụng một DC servo 48V-200W-3600rpm với tỉ số truyền 5:1 để điều khiển góc nghiêng bánh đà và 2 động cơ DC giảm tốc để điều khiển

xe di chuyển và bẻ lái Động cơ DC giảm tốc 12V-15W-10rpm cho tay lái của Bicyrobo Động cơ DC giảm tốc 12V-35 W-100rpm cho Bicyrobo để di chuyển về phía trước hoặc phía sau Bicycle robot sử dụng bộ nhúng PCM3350 như một bộ trung tâm điều khiển

Một cảm biến con quay hồi chuyển VG400CC để đo góc nghiêng của xe VG400CC là một thiết bị đo hiện đại sử dụng để đo góc nghiêng trong điều kiện khó khăn với phạn vi rộng nhiều tính năng điều chỉnh, có thể nâng cao hiệu suất sử dụng, tích

hợp sẵn bộ lọc kalman trong VG400CC vì thế giảm thiểu thời gian delay so với cảm biến góc thông thường sử dụng lọc để chống nhiễu

Bicycle robot có kích thước như sau dài 1.65m rộng 0.43m, cao 1.14m Nguyên tắc cân bằng được giải thích sơ lược như sau khi bánh đà bay với một tốc độ không đổi

và đủ lớn quanh trục Y1 nếu chúng ta kiểm soát được góc bánh đà trên trục X1 xung lượng góc trên Z1 tạo ra một mô men xoắn tuế sai mô men xoắn này được tạo ra bởi con quay hồi chuyển và nó có tác dụng giữ cân bằng xe

Phương pháp điều khiển

Dưới đây là sơ đồ hệ điều khiển của bicycle robot

Hình 2.4 Sơ đồ điều khyển

Hệ điều khiển được cấp nguồn 5V Một motor DC 36V có tác dụng tạo góc quay bánh đà Phương pháp điều khiển của hệ trên là tuần hoàn kín tín hiệu góc đo được từ cảm biến VG400CC sẽ được đưa về bo mạch PCM-3350 tại đây tín hiệu VG400CC sẽ chuyển về dạng xung PWM qua PCM 3718 A/D và RUBY-MM D/A và đưa ra điều khiển mô tơ quay góc bánh đà sau đó 1 encoder sẽ có trách nhiệm thu lại tín hiệu góc nghiêng bánh đà chuyển thành tín hiệu Decoder về RUBY-MM 8255 sau đó tín hiệu này quay về PCM 3350 CPU để hiệu chỉnh lại tín hiệu PWM cho đúng tất cả tạo thành vòng tuần hoàn kín làm cho xe cân bằng

Động học- Động lực học

Hình 2.5 Mô tả các lực tác động lên xe Hình trên là mô hinh đơn giản hóa, với B,F là xe đạp và lực hấp dẫn trung tâm bánh đà tương ứng

Hệ thống được đơn giản hóa để 2 liên kết cứng, liên kết đầu tiên là khung xe đạp với một DOF(bậc tự do) chỉ xoay quanh trục z, liên kết thứ 2 là bánh đà với 3 DOFs bao gồm xoay quanh trịc X1,Y1 và Z

Lực hấp dẫn ở trung tâm bánh đà là cố định so với khung xe đạp

I : Mô men quán tính của xe

Với qi   sử dụng phương trình (2) (3) ta có phương trình sau:

K ,K là mô men xoắn e

R, L là trị số cuộn cảm, cuộn kháng của motor

Tm là mô men xoắn được tạo ra bởi động cơ

Từ phương trình (4), (5), (6) ta thu được các Phương trình sau:

Thông số kĩ thuật của Bicycle robot:

Hình 2.7 Thông số của xe Ảnh hưởng của các phương pháp điều khiển đến cân bằng xe

Từ phương trình không gian trạng thái state space người ta sử dụng matlab để mô phỏng dao động của xe và sử dụng các thuật toán để tối ưu hóa điều khiển cho hệ

Người ta so sánh 3 phương pháp điều khiển khác nhau là PD controller, GA-based controller và PSO based controller bằng rất nhiều thực nghiệm để tìm ra thuật toán điều khiển tối ưu cho hệ

Đáp ứng bước của PD controller, GA-based controller và PSO based controller:

Hình 2.8 Đồ thị đáp ứng bước

Như ta thấy đáp ứng bước của PD controller là đường màu xanh đậm thua xa so với hai cách điều khiển còn lại đáp ứng bước tốn rất nhiều thời gian để cân bằng (khoảng hơn 10s) trong khi 2 phương pháp còn lại chỉ cần hơn 2s và dao động của PD controller

là quá nhiều Trong quá trình dao động bằng cạc điều khiển PD có quá nhiều nhiễu làm cho Bicycle robot bị rung lắc rất nhiều làm cho mất ổn định và khó có thể cân bằng được đồng thời dao động này cũng làm cho quá trình đạt trạng thái cân bằng quá lâu

Khả năng chống nhiễu:

Hình 2.9 Khả năng chống nhễu Khả năng chống nhiễu của PD controller và GA based controller là tương đối như nhau không khác nhau quá nhiều tuy nhiên GA based controller làm cho thời gian Bicycle robot quay lại vị trí thẳng đứng ngay sau khi tác động là nhanh hơn nhiều so với

PD controller điều này cũng là một ưu điểm của GA based controller

Dưới đây là so sánh cân bằng hiệu suất mà không sử dụng khối lượng để điều chỉnh (MASS) giữa PD controller và GA based controller có sử dụng bộ điều khiển hỗn hợp H2/H∞

Hình 2.10 So sánh PD và GA không sử dụng khối lượng Như ta thấy khi có bộ điều khiển hỗn hợp H2/H∞ tích hợp vào GA based controller, PD controller không bằng được với GA based controller

Các dao động của PD controller là nhiều, quá hỗn loạn và dao dộng lớn không ổn định bằng GA based controller trong khi GA based controller dao động trong khoảng -0.1 đến 0.2 thì PD controlle lại dao động trong khoảng -0.5 đến 0.5 Xét về sự thay đổi biên

độ dao động thì PD controller thay đổi nhiều hơn điều này khiến cho khó điều khiển hơn Dưới đây là cân bằng hiệu suất khi có sử dụng khối lượng để điều khiển:

Hình 2.11 So sánh PD và GA có sử dụng khối lượng

Rõ ràng khi có them khối lượng vào hệ đường đồ thị của PD controller dao động vẫn hỗn loạn nhưng biên độ dao độg giảm xuống gần bằng với GA based controller dao động của cả hai phương pháp điều khuyển đều nằm trong mức -0.2 đến 0.25 một mức nhỏ có thể chấp nhận được Với PD controller ta thấy dao động nhỏ nhưng tần suất dao động lại rất lớn và biên độ dao động thay đổi đột ngột không theo một quy luật nào cả điều này