TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG
KHOA CƠ ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BÁO CÁO
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH
XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG
LÊ XUÂN HƯNG
Sinh viên thực hiện: LÊ XUÂN HƯNG
Giáo viên hướng dẫn: ThS.LÊ HOÀNG ANH BIÊN HÒA, THÁNG 12/2013
i
LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện đề tài em đã nhận được rất nhiều sự hỗ trợ và giúp
đỡ của quý thầy cô, các bạn sinh viên trong khoa Cơ điện-Điện tử.
Trước hết, em xin chân thành cảm ơn thầy ThS. Lê Hoàng Anh là giảng viên
trực tiếp hướng dẫn em thực hiện đề tài. Thầy đã hướng dẫn, nhắc nhở, hỗ trợ trang
thiết bị giúp em thực hiện thành công đề tài.
Tiếp theo, em xin gửi lời cảm ơn thầy ThS. Đỗ Bình Nguyên cùng các thầy
trong khoa Cơ điện-Điện tử trường Đại học Lạc Hồng đã cho em những lời khuyên,
kinh nghiệm quý báu cũng như tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành đề tài.
Ngoài ra, em xin cảm ơn anh Trần Nguyên Sang, bạn Trà Ti Na và Nguyễn
Tấn Hậu đã hỗ trợ em rất nhiều trong suốt thời gian qua.
2.1 Mô hình cơ khí 10
2.1.1 Khung xe 10
2.1.2 Cần điều khiển 11
2.1.3 Hộp giảm tốc 12
2.1.4 Bánh xe 14
iii
2.2 Hệ thống mạch điện của xe 15
2.2.1 Sơ đồ khối hệ thống 15
2.2.2 Mạch điều khiển động cơ 15
2.2.3 Cảm biến IMU 16
2.2.4 Mạch điều khiển trung tâm 17
2.2.5 Động Cơ 18
2.2.6 Nguồn điện 20
2.3 Mô hình xe thực tế 21
2.4 Các phương thức giao tiếp 21
2.4.1 Giao thức
21
2.4.2 ADC 22
2.4.3 UART 23
2.4.3 PWM 24
Chương 3: GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG VÀ DI CHUYỂN 26
3.1 Nguyên lý điều khiển cân bằng và di chuyển 26
3.2 Bộ lọc Kalman 28
3.3 Giải thuật PID 30
3.5 Giải thuật cân bằng và điều khiển di chuyển 32
Chương 4 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 35
4.1 Mô hình cơ khí 35
4.2 Độ chính xác của cảm biến 35
CPU - Central Processing Unit
DAC - Digital to Analog Converter
DC - Direct Current
EEPROM - Electrically Erasable Programmable Read Only Memory
IMU - Inertial Measurement Unit
I
2
C - Inter Intergrated Circuit
IC - International Circuit
Ibs - Paund
I/O - Input / Output
LED - Light Emitting Diode
LCD - Liquid-crystal display
MENS - Microelectromechanical Systems
MOSFET - Metal–oxide–semiconductor field-effect transistor
MSB - Most Significant Bit
OTG - On The Go
PC - Personal Computer
PID - Proportional Integral Derivative
vi
PWM - Pulse Width Modulation
USB - Universal Serial Bus
UART - Universal Asynchronous Receiver – Transmitter
Segway PT - Segway Personal Transporter
SCL - Simply Connect Last
SDA - Serial Data Line
TTL - Transistor-transistor logic
V - Volt
W - Watt
viii
DANH MỤCHÌNH ẢNH
Hình 1.1 Xe Segway 2
Hình 1.2 Tác giả Trevor Blackwell và xe scooter 4
Hình 1.3 Robot hai bánh cân bằng của Nguyễn Gia Minh Thảo 5
Hình 1.4 Robot hai bánh cân bằng của Trà Ti Na và Nuyễn Tấn Hậu 6
Hình 1.5 Xe hai bánh tự cân bằng của Mai Tuấn Đạt 6
Hình 1.6 Xe hai bánh tự cân bằng của Phan Ngọc Anh Tùng 8
Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống cơ khí của xe 10
Hình 2.2 Khung xe 11
Hình 2.3 Cần điều khiển 11
Hình 2.4 Khớp xoay và gối đỡ của cần điều khiển 12
Hình 2.5 Biến trở dùng để điều khiển chuyển hướng của xe 12
Hình 2.6 Hộp giảm tốc 13
Hình 2.7 Bánh xe 14
Hình 2.8 Sơ đồ khối của mô hình xe 15
Hình 2.9 Board điều khiển động cơ 15
Hình 2.10 Sơ đồ kết nôi MPU 6050 với board Arduino 16
Hình 2.11 Board Arduino Due 17
Hình 2.12 Động cơ DC 20
Hình 2.13 Bình ắcquy 20
Hình 2.14 Mô hình xe thực tế 21
Hình 2.15 Mạng I
2
cân bằng” với các ưu điểm như di chuyển linh hoạt, điều khiển dễ dàng, chiếm ít
không gian và không sinh ra khí thải trong quá trình vận hành gây ô nhiễm môi
trường, phục vụ cho nhu cầu di chuyển cá nhân tại tại các thành phố lớn, khu
thương mại, siêu thị, sân bay, viện bảo tàng…Xe được thiết kế với hai bánh xe đặt
song song nhau giúp xe có thể dễ dàng di chuyển trong không gian hẹp mà không
gặp trở ngại như các loại phương tiện khác [2].
1.2 Giới hạn của đề tài
Trọng tâm của đề tài là xây dựng giải thuật điều khiển xe di chuyển cân bằng
dựa trên thuật toán PID. Xe được thiết kế chủ yếu để di chuyển trên địa hình phẳng,
không gồ ghề, mặt đường có độ dốc nhỏ hơn 15
o
. Tải trọng được thiết kế phù hợp
với thể trạng của người Việt Nam không vượt quá 120 kg.
1.3 Phương pháp tiếp cận đề tài
Đề tài được tiếp cận dựa trên những phương pháp sau:
Phương pháp khảo sát tài liệu, tìm hểu các tài liệu liên quan đến đề tài như
kỹ thuật lập trình vi điều khiển, thuật toán điều khiển PID, bộ lọc Kalman, robot và
xe hai bánh tự cân bằng.
Phương pháp khảo sát các mô hình robot tự cân bằng và xe tự cân bằng đã
được nghiên cứu trong nước và trên thế giới.
Phương pháp thực nghiệm tiến hành xây dựng mô hình xe, xây dựng thuật
toán điều khiển, thử nghiệm trên mô hình thực tế.
2
1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
1.4.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới
1.4.1.1 Xe Segway
Xe hai bánh tự cân bằng được phát triển dựa trên nền tảng robot hai bánh nBot
của tác giả David P. Anderson và iBot của Dean Kamen. Trong rất nhiều tác giả
thành công trong việc chế tạo xe hai bánh thì hãng Segway ở bang New Hampshire,
1.4.1.2 Balancing scooter
Xe scooter được Trevor Blackwell chế tạo ra dựa trên những nguyên lý cơ bản
như xe Segway. Xe scooter tự cân bằng này được chế tạo từ động cơ xe lăn và pin
dùng cho xe mô hình. Các bộ phận được chế tạo theo module có giá thành thấp hơn
phân nửa xe của hãng Segway. Xe không cần phần mềm thực thi cao cấp hay phức
tạp. Phiên bản đầu tiên được viết bằng ngôn ngữ Python.
4 Hình 1.2 Tác giả Trevor Blackwell và xe scooter
1.4.2 Tình hình nghiên cứu trong nước
Chế tạo xe hai bánh tự cân bằng là một đề tài rất hấp dẫn và lôi cuốn nhiều kỹ
sư những người đam mê khoa học, công nghệ. Tại Việt Nam cũng có nhiều tác giả
thực hiện đề tài đề tài này như luận văn thạc sĩ robot hai bánh tự cân bằng của tác
giả Nguyễn Gia Minh Thảo, Dương Hoài Nghĩa, Nguyễn Hữu Phúc trường đại học
Bách Khoa Tp.HCM (10/2010). Đề tài này đã thực hiện thành công việc mô phỏng
và thực nghiệm robot hai bánh tự cân bằng với bộ điều khiển Backstepping có đáp
ứng nhanh, khả năng giữ thăng bằng tốt và khả năng ổn định trước tác động của
nhiễu loạn.
5 Hình 1.3 Robot hai bánh tự cân bằng của Nguyễn Gia Minh Thảo.
Đề tài robot hai bánh tự cân bằng của tác giả Trà Ti Na và Nguyễn Tấn Hậu
trường đại học Lạc Hồng (11/2013).
Phương pháp nghiên cứu của nhóm tác giả:
Phương pháp khảo sát tài liệu, tìm hiểu các tài liệu liên quan đến đến đề
tài như cấu trúc robot hai bánh tự cân bằng, cảm biến IMU, mạch điều
khiển động cơ.
Thiết kế hoàn chỉnh mô hình xe.
Thiết lập mô hình trạng thái và xây dựng thuật toán cho xe.
Xây dựng mô hình mô phỏng bằng Visual Nastran và MatLAB-
Simulink.
Hoàn thành hệ thống mạch điện hoàn chỉnh cho xe hoạt động, vận
hành tốt.
Thiết lập moldule lọc Kalman cho cảm biến đo góc.
Mô hình hoàn chỉnh có thể di chuyển trên địa hình phẳng, đường đi
thẳng và có thể quẹo với góc rất nhỏ.
Những mặt giới hạn của đề tài vẫn còn chưa hoàn thiện được:
Không thiết kế được mạch MOSFET đủ lớn để xe có thề di chuyển
nhanh và những bề mặt có độ dốc lớn.
Việc quẹo trái phải của xe chưa tốt còn rất hạn chế làm xe chưa thể
lưu thông tốt trên đường.
Khối lượng xe nặng hơn dự kiến cần phải giảm bớt.
Chưa thiết kế cấu trúc khép kín cho xe, nên xe không thể vận hành
được khi trời mưa hoặc vượt qua những vũng nước trên đường.
Đề tài của tác giả Phan Ngọc Anh Tùng sinh viên trường đại học Bách Khoa
Tp.HCM (2011).
Với phương pháp khảo sát tìm hiểu kỹ về kết cấu cơ khí, tham khảo tài liệu
có liên quan và xác định nhiệm vụ trọng tâm của đề tài là phải nghiên cứu bộ lọc
thích nghi Kalman (kết hợp tín hiệu từ cảm biến gyro và accelerometer để tính toán
chính xác góc nghiêng) và xây dựng được thuật toán điều khiển giữ xe cân bằng.
8
Điểm nổi của đề tài gặt hái được những thành công bước đầu về điều khiển cân
bằng và xe có thể di chuyển được. Ngoài ra chiếc xe có thiết kế khá bắt mắt, có thể
di chuyển với một vận tốc ổn định.
10
Chương 2
KẾT CẤU CƠ KHÍ VÀ THIẾT KẾ HỆ
THỐNG ĐIỆN
2.1 Mô hình cơ khí
Mô hình cơ khí của xe được thiết kế gồm bốn phần chính: khung xe, cần điều
khiển, cơ cấu truyền động giảm tốc và bánh xe.
Tay cầm
Cần điều khiển
Bánh xe
Động cơ
Bánh xe
Khung xe
M M
Hộp
giảm tốc
Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống cơ khí của xe
2.1.1 Khung xe
Để cần điều khiển luôn ở vị trí thẳng đứng hoặc tự trả về vị trí thẳng đứng hai
lò xo kéo được gắn hai bên cần điều khiển, độ căng của lò xo phải vừa đủ để khi gạt
sang hai bên thì cần gạt luôn trả về vị trí ban đầu.
Tín hiệu điều khiển được truyền về mạch điều khiển thông qua biến trở. Khi
người điều khiển nghiêng cần sang trái hoặc sang phải thì sẽ tác động làm xoay biến
trở. Giá trị điện áp của biến trở được đưa vào bộ ADC đã được tích hợp sẵn bên
trong vi điều khiển.
Hình 2.5 Biến trở dùng để điều khiển chuyển hướng của xe
2.1.3 Hộp giảm tốc
Lựa chọn hộp giảm tốc phải phù hợp với tốc độ động cơ để có thể đạt được tốc
độ di chuyển mong muốn của xe.
13
Tính toán lựa chọn tỷ số truyền của bộ giảm tốc:
Chọn chu vi bánh xe vận tốc di chuyển mong muốn của xe
(km/h). Vận tốc quay của bánh xe được tính theo công thức sau:
14
2.1.4 Bánh xe
Bánh xe được chọn với yêu cầu về khả năng chịu tải khoảng 120 kg bao gồm
phần tải trọng của xe và người điều khiển. Loại bánh xe 100/90/10 được sử dụng
cho thiết kế xe hai bánh tự cân bằng, đây là loại bánh mâm chuyên dùng cho xe máy
với thông số kích thước như sau: 100 là bề rộng của lốp xe được tính bằng mm, 90
là độ cao tính từ vành mâm đến đỉnh của lốp xe nơi tiếp xúc với mặt đường bằng
90% bề rộng của lốp xe, 10 là đường kính của mâm được tính theo đơn vị inch, chu
vi bánh xe 1,362 m.
Hình 2.7 Bánh xe
Copyright: Tài liệu đại học ©