Đồ Án Xe hai bánh tự cân bằng di chuyển trên địa hình phẳng

Lời cảm ơn
Mục lục i
Tóm tắt đề tài . iv
Abstract v

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1
1.1 Lời nói đầu 1
1.2 Thế nào là xe hai bánh tự cân bằng (two wheels self balancing) .2
1.3 Tại sao phải thiết kế xe hai bánh tự cân bằng .3
1.4 Ưu nhược điểm của xe hai bánh tự cân bằng 4
1.4.1 Ưu điểm của xe scooter tự cân bằng trên hai bánh .4
1.4.2 Nhược điểm của xe .4
1.5 Khả năng ứng dụng 5
1.6 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 5
1.6.1 Một số dạng xe hai bánh tự cân bằng dùng trên robot .5
1.6.2 Một số dạng scooter hai bánh tự cân bằng .9
1.7 Nhu cầu thực tế .14

CHƯƠNG 2 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN .15
2.1 Mục tiêu đề tài .15
2.2 Phương pháp nghiên cứu .15

CHƯƠNG 3 LÝ THUYẾT TIẾP CẬN 17
3.1 Phương pháp tính động lực học 17
3.2 Thuật toán điều khiển - Kỹ thuật điều khiển hiện đại 24
3.3 Các phương pháp xử lý tín hiệu từ cảm biến .29
3.3.1 Lọc bổ phụ thông tần (complementaty filter) 29
3.3.2 Lọc thích nghi - Bộ lọc Kalman .32
3.3.3 So sánh các bộ lọc với bộ lọc Kalman .40
3.4 Mô hinh lý thuyết động cơ DC 43

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG .45
4.1 Các thông số trong mô hình mô phỏng được xây dựng 45
4.2 Mô phỏng MatLAB 46
4.2.1 Giới thiệu về phần mềm MatLAB, công cụ Simulink .46
4.2.2 Kết quả tính bằng MatLAB 46
4.3 Mô phỏng VisualNastran và Simulink .48
4.3.1 Giới thiệu về phần mềm VisualNastran .48
4.3.2 Cách thực hiện mô phỏng bằng vN Desktop 4D 49
4.3.4 Kết quả mô phỏng 50

CHƯƠNG 5 THỰC HIỆN 54
5.1 Thiết kế cơ khí .54
5.1.1 Tóm tắt thiết kế 54
5.1.2 Tính toán sức bền .54
5.2 Mạch điện tử .59
5.2.1 Nguồn điện .60
5.2.2 Mạch công suất điều khiển động cơ 61
5.2.2.1 Bộ đệm (MOSFET driver) 61
5.2.2.2 MOSFET công suất – mắc bổ phụ 63
5.2.2.3 Mạch Snubber .66
5.2.2.4 MOSFET thắng .66
5.2.3 Cảm biến 66
5.2.3.1 Thiết bị đo góc gyro Murata ENC-03 .67
5.2.3.2 ADXL202A .68
5.2.3.3 Cảm biến đo vị trí- encoder .73
5.2.3.4 Cảm biến đo dòng hồi tiếp (Điện trở shunt) 75
5.2.4 Bộ xử lý trung tâm - vi điều khiển PIC 18F452 .76
5.2.4.1 Các khả năng của vi điều khiển Microchip PIC 18F452: .76
5.2.4.2 Mạch điều khiển trung tâm 79
5.2.5 Bảng điều khiển và hiển thị 80
5.2.6 Động cơ 80
5.2.7 Hình chụp các mạch điện tử 85
5.3 Giải thuật - Lưu đồ chương trình .88
5.3.1 Chương trình chính 88
5.3.2 Chương trình ngắt 89
5.3.3 Cập nhật encoder .91
5.3.4 Điều khiển động cơ 92
5.4 Kết quả .94

CHƯƠNG 6 CÁCH VẬN HÀNH 95
6.1 Cách sử dụng .95
6.2 Bảo dưỡng 97

CHƯƠNG 7 KẾT LUẬN .98
7.1 Những kết quả đạt được 98
7.2 Những kết quả chưa đạt được .98
7.3 Những vấn đề chưa giải quyết .99
7.4 Hướng phát triển 99

TÀI LIỆU THAM KHẢO .100
PHỤ LỤC .102
1. GIỚI THIỆU PHẦN MỀM VISUALNASTRAN .102
2. LỌC THÍCH NGHI – BỘ LỌC KALMAN 105
3. GYRO MURATA ENC-03 118
4. CẢM BIẾN GIA TỐC ACCELEROMETER ADXL202 .122
5. CHUẨN TRỰC CÁC CẢM BIẾN ĐO GÓC 128
6. TÍNH NĂNG VI ĐIỀU KHIỂN PIC 18FXX2 131



TÓM TẮT ĐỀ TÀI




Đề tài này có thể xem là một cầu nối kinh nghiệm từ mô hình thăng bằng con
lắc ngược đến việc nghiên cứu và chế tạo các loại robot hai chân và robot người
(humanoid robot) trong tương lai. Mục tiêu của đề tài là thiết kế và chế tạo một xe
hai bánh tự cân bằng, dựa trên lý thuyết cân bằng con lắc ngược. Không giống như
các xe scooter hay xe 2 bánh thông thường có hai bánh xe nằm trước sau, xe scooter
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 tính toán các thông số đầu vào và ra, dựa trên
đó để xây dựng các mô phỏng, đến việc 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 xe 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 xe khi đứng yên, và tạo
một sai số nhỏ về góc nghiêng của thân xe với nền khi muốn xe chuyển động.
Sư cân bằng được tính toán và mô phỏng bằng 2 phần mềm MatLAB-
SIMULINK và Visual Nastran, để chứng minh rằng hoàn toàn có khả năng để điều
khiển một mô hình xe tự cân bằng chỉ 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 tích hợp trong mỗi bánh
xe đạp điện 400 mm phổ biến trong thời gian gần đây tại Việt Nam, bo mạch sử dụng
bộ điều khiển trung tâm PIC18Fxxx của hãng Microchip để điều khiển những mạch
khuếch đại công suất, lái công suất (MOSFET driver) cho những động cơ, điều khiển
những cảm biến cần thiết để đo các giá trị góc và quãng đường đi. Các tín hiệu đo
góc từ hai cảm biến accelerometer và gyro được thông qua một bộ lọc Kalman được
lập trình trên vi điều khiển PIC để có các thông số đo góc chính xác. Bảng điện kiểm
soát và hiển thị chức năng hoạt động của xe. Bình điện được lắp dưới sàn xe bằng
nhôm để cung cấp toàn bộ năng lượng cho xe hoạt động.