Mo hinh xe 2 banh tu can bang

7/21/2005Xe scooter hai bánh tư cân bằng

Luận văn tốt nghiệp kỹ sư

XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG DI CHUYỂN TRÊN ĐỊA HÌNH PHẲNG

GVHD: KS. Võ Tường QuânSVTH: Mai Tuấn Đạt

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM

CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO KỸ SƯ CHẤT LƯỢNG CAO VIỆT-PHÁP

BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ

7/21/2005 Xe scooter hai bánh tư cân bằng Page 2

Mục lục trình bày• Nhiệm vụ luận văn• Tổng quan• Động lực học mô hình• Mô phỏng• Phần cơ khí• Phần điện tử

– Nguồn điện– Điện tử công suất cho động cơ– Cảm biến đo nghiêng và vận tốc góc– Bộ phận xử lý và điều khiển trung tâm

• Giải thuật xử lý và điều khiển• Kết quả


TỔNG QUANNguyên lý hoạt động chính

• Thế nào là xe hai bánh tự cân bằng.

Cân bằng Bị nghiêng

Nguyên lý giữ thăng bằng

Bắt đầu di chuyển


Đi trên mặt nghiêng của xe 3/4 bánh và xe hai bánh tự cân bằng


TỔNG QUANSo sánh các loại xe

Nhượcđiểm

Ưuđiểm

•Mệt khi sử dụng nhiều•Không nhanh bằng xe hơi•An toàn vừa phải•Không thể leo bậc thangquá cao•Vận chuyển 1 người

•Mệt và tốn sức khi sửdụng nhiều và leo dốc•Không nhanh bằng xehơi•Không thể leo bậcthang

•Giá thành đắt•Kém linh hoạt trongxoay trở (con hổ)•Chiếm nhiều diện tích•Nguy hiểm khi leo dốcnghiêng hơn 10o

•Ô nhiễm (petrol car)•Khó sửa chữa

•Không ô nhiễm•Đa năng•Linh hoạt trong di chuyển•Không tốn nhiều sức•Chiếm ít diện tích (1)•Giá thành vừa phải

•Không ô nhiễm•Ít chiếm diện tích (2)•Giá thành rẻ•Dễ sửa chữa

•Nhanh•Leo dốc dễ dàng•Tiện nghi khi đi đườngtrường•An toàn khi chạy tốc độchậm

Xe 2 bánh tự cân bằngXe đạpXe 4 bánh


Tình hình trên thế giới: robot 2 bánh

TOYOTA-Rolling JOEMột số đề tài về robot 2 bánh

nBot

Bender


Tình hình trên thế giới: xe 2 bánh

Một số dạng scooter hai bánh tự cân bằng


NHIỆM VỤ LUẬN VĂN

Xây dựng mô hình lý thuyết điều khiển

Thực hiện

mô hình thực

•Nguyên lý cân bằng•Tính toán và xây dựng hàm trạng thái tương tự mô hình con lắc ngược.•Mô phỏng mô hình bằng vN Nastran và MatLAB.

•Thiết kế khung sườn của mô hình.•Công suất điện và điện tử (điều khiển bánh xe).•Cảm biến (góc, vị trí, vận tốc) vàphối hợp cảm biến.•Calibre cảm biến.•Bộ điều khiển trung tâm.•Lập trình.


TỪ MÔ HÌNH CON LẮC NGƯỢCtại Việt Nam

• Đã phát triển kháhoàn chỉnh mô hình con lắc ngược.– ĐH Bách Khoa Hà Nội– ĐH Bách khoa Tp.HCM…

• Chưa có đề tài vềscooter 2 bánh tựcân bằng


Con lắc ngược vs. xe 2 bánh tự cân bằng

Có cả ngẫu lực bánh xe, momen sàn và lực đẩy từbánh tác động lên con lắcNgõ vào điều khiển: ngẫu lực bánh xe C(t)Bánh xe lăn ảnh hưởng đến góc nghiêng của con lắc

Chỉ có tác động của lực của sàn đỡđối với con lắcNgõ vào điều khiển: lực f(t)Bánh xe lăn không ảnh hưởng đếngóc nghiêng của con lắc

Khácnhau

Bản chất vật lý phần con lắc ngược: hoạt động ở vị trí cân bằng không bềnCó thể dùng cùng một mô hình điều khiển

Giốngnhau

Xe 2 bánh tự cân bằngCon lắc ngược


ĐỘNG LỰC HỌC & MÔ PHỎNG

• Động lực học mô hình xe 2 bánh tự cân bằng:


ĐỘNG LỰC HỌC & MÔ PHỎNG Kết quả tính toán: tìm cực hệ thống bằng hàm trạng thái

• Trị riêng của A:Eigenvalue Damping Freq. (rad/s)

4.40e+000 -1.00e+000 4.40e+000 0.00e+000 -1.00e+000 0.00e+000 0.00e+000 -1.00e+000 0.00e+000

-4.40e+000 1.00e+000 4.40e+000

Theo Lyapunov: cực có phần thực dương hệ nguyên thủy không ổn định

• rank(A)=4 điều khiển được

• cond(A)= 80.2510 độ khó điều khiển vừa phải

Cần phải tạo một vòng điều khiển ổn định mới


ĐỘNG LỰC HỌC & MÔ PHỎNG Bộ điều khiển thông số hàm trạng thái(LQR)

• Mô hình khối Simulink:

A’=A-BK


ĐỘNG LỰC HỌC & MÔ PHỎNG Chiến lược chọn cực cho bộ điều khiển hiện đại LQR

• Ổn định cực có phần thực âm tiêu điểm ổn định

• Giá trị mỗi cực :

• Ví dụ: cực -0.7 – i– Frequancy: 1.22 rad/s– Damping: 5.73e-001

nαϖ−

21 αϖ −− n

21 αϖ −− n

Im

Re21 αϖαϖ −±− nn j


ĐỘNG LỰC HỌC & MÔ PHỎNG Tìm K bằng công thức Ackermann

• Kết quả tính bằng MatLAB(1)

Cực V=[-0.7+i;-0.7-i;-8.2+3i;-8.2-3i]

K = [-87.45 -100.97 -834.04 -232.16]

Cực V = [-2– i; -2+i; -5.4+3i; -5.4-3i]

K = [-146.88 -159.07 -820.58 -285.61]


ĐỘNG LỰC HỌC & MÔ PHỎNG Tìm K bằng công thức Ackermann

• Kết quả tính bằng MatLAB(2)

Cực V = [-0.5–i; -0.5+i; -5.4+3i; -5.4-3i]

K = [-36.72 -39.76 -466.05-120.41]

Cực [-3.6; -3.6; -3.6+3i; -3.6-3i]

K = [-219.09 -193.55 -912.00 -325.68]


ĐỘNG LỰC HỌC & MÔ PHỎNG Kết nối giữa Visual Natran và MatLAB

• Cố định một vị trí– vNastran 4D– avi1,2

• Di chuyển– vNastran– avi1,2



• Kết quả tính bằng VisualNastran: cố định tại một vị trí

K = [-36.72 -39.76 -466.05-120.41]



• Kết quả tính bằng VisualNastran: di chuyển

K = [0 -39.76 -466.05-120.41]


THIẾT KẾ & GIA CÔNG CƠ KHÍ

• Cấu trúc cơ khí gồm bốn phần:– Khung: inox ∅25, và inox

vuông 25x25mm. – Sàn: nhôm, dày 5mm, vững

chắc. – Tay lái: inox vuông 25x25mm,

và tay cầm của tay lái: ống nhựa ∅21, dài 250mm.

– Hai động cơ tích hợp trong hai bánh xe có đường kính 40cm.


Kết cấu cơ khí






Sơ đồ khối hoạt động

Vi ñieàu khieån

PIC 18F452

Gyro Accelerometer

MOSFET driver 1 MOSFET driver 2

Power MOSFET 1 Power MOSFET 2

Ñoäng cô DC 1 Ñoäng cô DC 2

Encoder 1 Encoder 1

Bieán trôû +coâng taéc ñieàu khieån LED hieån thò


ĐIỆN TỬCảm biến đo nghiêng và vận tốc góc

• Cảm biến gia tốc:

• Cảm biến vận tốc góc:


Cảm biến đo nghiêng: accelerometer vàgyro

Trọng trường

1g

Ngõ ra accelerometer

Acc= 1g*sin(θ)

θ

• Cảm biến gia tốc:– Đo đại lượng gia tốc (m/s2)– Trọng lực có gia tốc 9.81 m/s2

có thể dùng gia tốc kế để đo phương

• Cảm biến gyro– Độ nhạy cao 0,67mV/deg/s.– Vận tốc góc cao ±300o/s– Được cài đặt sẵn tín hiệu Vref=1,35V


Nhược điểm khi chỉ dùng accelerometer hoặc gyro đo góc

• Chỉ đo được góc tĩnh• Dễ sai khi mô hình chuyển động

Trọng trường

1g

Chuyển động thằng

0.3g

Tổng

1.04g

• Cực nhạy đối với chuyểnđộng nhỏ

• Bị trôi khi đo giá trị góc tĩnh


GIẢI THUẬT XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐO GÓCBộ lọc tín hiệu các cảm biến : bộ lọc Kalman

• Giải thuật

Time Update

(“Predict”)

Mesurement Update

(“Correct”)

rate=q = q_m - q_bias

angle+=rate*dt

Pdot = A*P *A' + Q

P= P+ Pdot*dt

angle_m=read(accelerometer)

angle_error=angle_m – angle

E=CPCT+R

angle+= K_0 * angle_err;

q_bias+= K_1 * angle_err;

( )PKCIP −=

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡=⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡EPCtEPCt

KK

/0_/0_

10


Góc và vận tốc góc trước và sau khi qua bộ lọc Kalman

-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

1 8 15 22 29 36 43 50 57 64 71 78 85 92 99

Gyro mới (1.5+2.5)*3=12ms

Kalman

Accelerometer

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

1 8 15 22 29 36 43 50 57 64 71 78 85 92 99

Tích phân giá trị gyro

Kalman

Accelerometer

So sánh giá trị vận tốc góc trên gyro, đạo hàm accelerometer và vận tốc góc

sau bộ lọc Kalman

So sánh giá trị góc trên gyro (tíchphân vận tốc góc), accelerometer và

sau bộ lọc Kalman


ĐIỆN TỬCảm biến đo góc nghiêng ( accelerometer+gyro)


Các mạch điện tử khác Encoder trên bánh xe


ĐIỆN TỬ

Mạch điều khiển trung tâm


ĐIỆN TỬBộ khuyếch đại công suất cho động cơ


ĐIỆN TỬ

• Nguồn điện:


GIẢI THUẬT XỬ LÝ VÀ ĐIỀU KHIỂN

Chương trình chính

Ngắt cao

Đọc cảm biến góc

Lọc Kalman

Giá trị cần ở ngõ ra động cơ

Ngắt thấp

Vị trí và vận tốc

LED nháy

Thiết lập giá trị ban đầu Điều khiển động cơ và kiểm soát dòng điện


GIẢI THUẬT XỬ LÝ VÀ ĐIỀU KHIỂNChương trình chính

DCPWM1 = 0DCPWM2 = 0

RE1 = 1

Baùo saiNgöøng ñoäng cô

LED 7 ñoaïn saùng

END

Start

Thieát laäp PortPort B: ngaõ vaøoPort D: ngaõ raPort C, E: ngaõ ra

Thieát laäp A/D

Khoùa caàu H

Thieát laäp PWMTimer2

PWM1=PWM2 = 0

AN0 -> AN4 Vref = AN3

PS 1:4 , PR2 = 0xFF

RB0=0 (coâng taéc)or AN4>0 Delay 1s

No

Yes

Delay 5s

Chaïy ñoäng cô

Yes

Khôûi taïo ngaétGIE, Timer0,

Timer 1

RB0 = 0

Quaù doøngBaùo sai

Ngöøng ñoängcô

Yes

No

No

DCPWM1=0DCPWM2=0


GIẢI THUẬT XỬ LÝ VÀ ĐIỀU KHIỂNXử lý ngắt cao


GIẢI THUẬT XỬ LÝ VÀ ĐIỀU KHIỂNXử lý ngắt thấp

Encoder2

Höôùng 2 = 1 X2 =X2 -1

X2 =X2 +1

RETFIE

Yes

Yes

Encoder1

Höôùng 1 = 1 X1 =X1 -1

X1 =X1 +1

RETFIE

Yes

Yes


GIẢI THUẬT XỬ LÝ VÀ ĐIỀU KHIỂNĐiều khiển động cơ

Traïng thaùi höôùng 1 != Höôùng 1 motoror

Traïng thaùi höôùng 2 != Höôùng 2 motorThaéng 2 baùnh

A

DCPWM1=PWM1DCPWM2=PWM2

Delay 20ms

RET

Delay 20ms

DCPWM1=3%DCPWM2=3%

No

Yes

Thaéng 2 baùnh

DCPWM1=0DCPWM2=0

Delay 20ms

Höôùng 1 motor = Traïng thaùi höôùng 1Höôùng 2 motor =Traïng thaùi höôùng 2

RET

Ñaûo LED RD5


Bắt đầu sử dụng xe 2 bánh tựcân bằng

– Từ từ bước một chân lên trọng tâm của xe – Nếu xe vẫn ổn định, bước chân còn lại lên xe

Hoạt động của xe Platform mobile robot


KẾT QUẢ THỰC HIỆN

– Thiết kế và hoàn thiện mô hình cơ khí xe scooter tự cân bằng trên hai bánh.

– Thiết lập mô hình toán và hàm trạng thái cho mô hình.– Xây dựng chương trình mô phỏng hoạt động bằng Visual Nastran và

MatLAB-Simulink.– Tất cả phần cứng thiết kế cho xe hoạt động theo yêu cầu.– Phần mềm điều khiển kiểm soát sự cân bằng và chuyên chở một

người.


HƯỚNG PHÁT TRIỂN

– Tạo giao diện giữa vi điều khiển của scooter với một vi điều khiển/ máy tính khác, để scooter có thể đóng vai trò là một platform cho mobile robot.

– Tăng khả năng tải trọng của xe lên hơn 100kg, đó là phải giải quyết vấn đề điện tử công suất.

– Làm nhẹ bớt trọng lượng của xe, bằng cách chuyển đổi khung inox sang khung sợ carbon.

– Thay đổi động cơ bánh xe từ có chổi than thành loại brushless để tăng công suất ngẫu lực với củng công suất tiêu thụ.

– Nâng cao khả năng thắng gấp khi di chuyển ở vận tốc cao.


LỜI CẢM ƠN

Xin gửi lời cảm ơn đến• Ông bà và cha mẹ, những người thân trong gia đình • Thầy Võ Tường Quân, giáo viên hướng dẫn luận văn• Bộ môn Cơ Điện tử, Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM• Quý Thầy Cô tham gia giảng dạy chương trình Kỹ sư

chất lượng cao Việt Pháp khóa 2000-2005• Công ty máy tính Bách Khoa• Th.S Trần Công Binh, giảng viên bộ môn Thiết bị Điện• Những người bạn cùng học

Hoạt động của xe Platform mobile robot

Documents

Mo hinh xe 2 banh tu can bang