Thạc Sĩ Thiết kế Robot đạp xe

MỞ ĐẦU 3
LỜI CẢM ƠN 4
NHẬN XÉT. 5
NHẬN XÉT. 6
MỤC LỤC 7
PHẦN I: TỔNG QUAN 11
1. Lịch sử chiếc xe 2 bánh tự cân bằng đầu tiên trên thế giới. 11
2. Xe đạp có khả năng tự giữ thăng bằng. 11
3. Ý tưởng đề tài. 12
4. Nhu cầu thực tế. 12
5. Tóm tắt dề tài. 13
PHẦN II: KIẾN THỨC LIÊN QUAN 14
I. Tổng quan về Atmega16, ngôn ngữ và công cụ lập trình. 14
1. Tổng quan về Atmega16. 14
1.1. Giới thiệu về họ vi điều khiển AVR. 14
1.2. Tổng quan về vi điều khiển Atmega16. 15
1.3. Cấu trúc nhân AVR. 16
1.4. Cấu trúc bộ nhớ. 20
1.5. Các cổng vào ra (I/O). 21
1.6. Bộ định thời. 22
1.7. Mô tả các thanh ghi 24
1.8. USART 26
1.8. Bộ biến đổi ADC 33
1.9. Thanh ghi dữ liệu ACDH và ADCL 36
1.10. Nguyên tắc hoạt động và lập trình điều khiển. 36
2. Ngôn ngữ và công cụ lập trình: 38
2.1. Ngôn ngữ lập trình: 38
2.2. Công cụ lập trình: 39
II. Mô hình hóa lý thuyết. 39
1. Mô hình hóa động cơ. 39
2. Mô hình hóa cảm biến: 41
2.1. Mô hình hóa Gyro. 41
2.2. Mô hình hóa Accelerometer. 41
3. Mô hình toán học hệ thống. 42
III. Các phương pháp tín hiệu từ cảm biến. 44
1. Bộ lọc trung bình. 45
2. Bộ lọc bổ phụ thông tần. 45
3. Bộ lọc Kalman filter. 45
IV. Thuật điều khiển PID và việc rời rạc hóa nó: 46
PHẦN III: NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI 48
PHẦN IV: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ 48
I. Tính toán các tham số. 48
1. Tính toán lực. 48
2. Tính toán thiết kế mạch. 50
2.1. Mạch nguồn: 50
2.2. Kết nối vi điều khiển với các khối: 50
2.3. Mạch động lực: 51
II. Phương án thiết kế: 53
1. Thiết kế cơ khí. 53
1.1. Xe đạp. 53
1.2. Cơ cấu lái 53
1.3. Cơ cấu thăng bằng. 55
2. Thiết kế mạch. 58
2.1. Khối nguồn. 60
2.2. Mạch công suất điều khiển động cơ. 61
2.2.1. Bộ đệm (MOSFET driver). 61
2.3. Cảm biến vận tốc góc Gyro Murata ENC-03. 65
3. Khảo sát tín hiệu cảm biến và lọc nhiễu. 67
3.1. Thuật toán lọc nhiễu. 68
3.2. Khảo sát cảm biến. 70
4. Chương trình điều khiển. 71
4.1. Chương trình điều khiển cân bằng. 71
4.2. Chương trình điều khiển di chuyển. 75
PHẦN IV: KẾT LUẬN 76
1. Mục tiêu. 76
2. Những thuận lợi và khó khăn. 76
3. Kết quả có được của toàn nhóm. 76
4. Dự định của nhóm trong tương lai. 77
5. Kinh nghiệm đúc kết. 77
Phụ lục A: 79
Phụ lục B: 82
Phụ lục C: 98
Danh mục hình sử dụng trong báo cáo. 103
Danh mục tài liệu tham khảo. 105

[h=1]MỞ ĐẦU[/h]Cùng với sự phát triển của xã hội loài người, các ngành khoa học - kỹ thuật không ngừng đi đến những thành công mới. Nhiều công trình khoa học, những phát minh của các nhà khoa học đã đi vào cuộc sống, phục vụ lợi ích của con người. Với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành công nghiệp, máy móc đã dần thay thế cho sức lao động của con người. Đặc biệt những thập niên gần đây với sự xuất hiện và phát triển nhanh chóng của công nghệ robot, những dây chuyền tự động chủ yếu thực hiện bằng hệ thống cánh tay robot linh hoạt. Robot được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, thay thế cho các hoạt động của con người trong các môi trường độc hại, nguy hiểm như thám hiểm. Robot không những được sử dụng nhằm mục đích tăng năng suất lao động mà dần đi vào đời sống sinh hoạt của chúng ta. Ban đầu từ con robot lau sàn, những chú chó trông nhà, mục đích của chúng ta là tạo ra những con robot ngày càng trở nên thân thiện hơn nữa với con người.
Hiện tại, ở các trường đại học ở Việt Nam hiện chưa có đề tài nào thực hiện nghiên cứu “Robot đạp xe”. Mô hình Robot đạp xe thực sự là một bước đệm quan trọng để có kinh nghiệm trong việc tính toán, mô hình và chế tạo các Robot đạp xe. Ngoài ra mô hình cũng sẽ bổ sung cần thiết về cái giải pháp di chuyển của các Mobile Robot, làm phong phú các giải pháp để chuyển động trong không gian cho các Robot.
Đề tài này có thể xem như là cầu nối kinh nghiệm từ khả năng giữ thăng bằng của con người khi đi trên xe, đến việc nghiên cứu và chế tạo các loại Robot đạp xe trong tương lai. Mục tiêu của đề tài là thiết kế và chế tạo một mô hình Robot đạp xe, dựa trên lý thuyết về momen quán tính. Nó sẽ là bước đi đầu tiên cho việc nghiên cứu và chế tạo Robot đạp xe hoàn thiện trong tương lai.
Đề tài này được quan tâm từ việc nghiên cứu khả năng giữ thăng bằng của người khi đạp xe, tới việc tính toán các thông số vào/ra. Cho tới việc thiết kế mô hình, lựa chọn các thông số động cơ và bánh đà, thiết kế phần điện tử và điều khiển, viết các chương trình điều khiển với mục đích cuối cùng là tạo ra được một mô hình “Xe đạp” tự cân bằng, dựa theo các định lật Newton và các định luật cơ học vật rắn, sao cho xe luôn ở vị trí cân bằng.