Chế Tạo Xe Hai Bánh Tự Cân Bằng - Tiểu Luận Tốt Nghiệp Kỹ Thuật Cơ Khí

Chuyên khảo phân tích Chế tạo xe hai bánh tự cân bằng, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo., phục vụ nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

• Tác giả: Võ Trường Toản
• Người hướng dẫn: ThS. Đường Khánh Sơn
• Trường học: Trường Đại Học Kỹ Thuật - Công Nghệ Cần Thơ
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
• Đề tài: Chế Tạo Xe Hai Bánh Tự Cân Bằng
• Loại tài liệu: tiểu luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Cần Thơ

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT TIỂU LUẬN
• BẢNG KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Lý do và mục đích chọn đề tài
• 1.2. Đối tượng nghiên cứu
• 1.3. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.4. Phạm vi nghiên cứu
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Tổng quan về đề tài nghiên cứu
• 1.6.1. Giới thiệu sơ lược về mô hình xe hai bánh tự cân bằng
• 1.6.2. Một số ứng dụng của mô hình xe hai bánh tự cân bằng
• 1.6.3. Các đề tài xe hai bánh tự cân bằng trong nước
• 1.6.4. Các đề tài xe hai bánh tự cân bằng ngoài nước
• 1.6.5. Hướng nghiên cứu cho đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Mô hình hóa hệ thống xe hai bánh tự cân bằng
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 3.1. Kết quả nghiên cứu đạt được
• 3.2. Kết quả chưa đạt được
• 3.3. Hướng phát triển
• PHỤ LỤC HÌNH
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Chế Tạo Xe Hai Bánh Tự Cân Bằng

Mô hình xe hai bánh tự cân bằng đang trở thành một trong những sản phẩm công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực cơ khí. Với khả năng di chuyển linh hoạt và dễ dàng điều khiển, mô hình này không chỉ phục vụ cho nhu cầu di chuyển cá nhân mà còn có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau như y tế, giáo dục và giải trí. Việc nghiên cứu và chế tạo xe hai bánh tự cân bằng không chỉ giúp sinh viên áp dụng kiến thức đã học mà còn mở ra nhiều cơ hội nghiên cứu mới.

1.1. Giới Thiệu Về Xe Hai Bánh Tự Cân Bằng

Xe hai bánh tự cân bằng hoạt động dựa trên nguyên lý con lắc ngược, sử dụng cảm biến để phát hiện độ nghiêng và điều chỉnh động cơ nhằm giữ thăng bằng. Mô hình này có thể được điều khiển từ xa qua smartphone, mang lại sự tiện lợi cho người sử dụng.

1.2. Lịch Sử Phát Triển Mô Hình Xe Tự Cân Bằng

Mô hình xe tự cân bằng đã có lịch sử phát triển từ những năm 1960 với sự ra đời của robot công nghiệp đầu tiên. Ngày nay, công nghệ này đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ sản xuất đến dịch vụ.

II. Thách Thức Trong Việc Chế Tạo Xe Hai Bánh Tự Cân Bằng

Việc chế tạo xe hai bánh tự cân bằng gặp phải nhiều thách thức, từ việc lựa chọn linh kiện phù hợp đến việc lập trình thuật toán điều khiển. Các vấn đề như độ chính xác của cảm biến, khả năng xử lý tín hiệu và thiết kế cơ khí đều cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Vấn Đề Về Cảm Biến Và Điều Khiển

Cảm biến MPU6050 là một trong những linh kiện quan trọng giúp xe tự cân bằng. Tuy nhiên, việc xử lý tín hiệu từ cảm biến này đòi hỏi kiến thức vững về lập trình và điều khiển.

2.2. Thiết Kế Cơ Khí Và Tính Toán Động Học

Thiết kế cơ khí của xe cần đảm bảo tính ổn định và khả năng di chuyển linh hoạt. Các phương trình động học cũng cần được xây dựng chính xác để mô phỏng chuyển động của xe.

III. Phương Pháp Chế Tạo Xe Hai Bánh Tự Cân Bằng Hiệu Quả

Để chế tạo xe hai bánh tự cân bằng, cần áp dụng các phương pháp khoa học và công nghệ hiện đại. Việc sử dụng thuật toán PID trong điều khiển động cơ là một trong những phương pháp hiệu quả nhất.

3.1. Ứng Dụng Thuật Toán PID Trong Điều Khiển

Thuật toán PID giúp điều chỉnh tốc độ và vị trí của xe một cách chính xác. Việc tối ưu hóa các tham số Kp, Ki, Kd là rất quan trọng để đạt được hiệu suất tốt nhất.

3.2. Thiết Kế Mạch Điều Khiển

Mạch điều khiển cần được thiết kế sao cho có thể kết nối dễ dàng với các linh kiện khác như động cơ và cảm biến. Sơ đồ đấu nối cũng cần được lập trình chính xác để đảm bảo hoạt động ổn định.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Xe Hai Bánh Tự Cân Bằng

Xe hai bánh tự cân bằng có nhiều ứng dụng thực tiễn trong đời sống hàng ngày. Từ việc sử dụng làm phương tiện di chuyển cá nhân đến việc ứng dụng trong các lĩnh vực như giám sát an ninh và giáo dục.

4.1. Ứng Dụng Trong Lĩnh Vực Y Tế

Mô hình xe hai bánh tự cân bằng có thể được sử dụng để vận chuyển các thiết bị y tế trong bệnh viện, giúp tiết kiệm thời gian và công sức cho nhân viên y tế.

4.2. Ứng Dụng Trong Giáo Dục

Mô hình này cũng có thể được sử dụng trong các trường học để giảng dạy về cơ khí và lập trình, giúp sinh viên có cái nhìn thực tế hơn về công nghệ.

V. Kết Luận Về Chế Tạo Xe Hai Bánh Tự Cân Bằng

Chế tạo xe hai bánh tự cân bằng không chỉ là một dự án thú vị mà còn mang lại nhiều giá trị thực tiễn. Việc nghiên cứu và phát triển mô hình này sẽ mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực công nghệ.

5.1. Tương Lai Của Công Nghệ Xe Tự Cân Bằng

Công nghệ xe tự cân bằng sẽ tiếp tục phát triển và có thể được ứng dụng rộng rãi hơn trong tương lai, đặc biệt là trong các lĩnh vực như giao thông thông minh và tự động hóa.

5.2. Khuyến Khích Nghiên Cứu Và Phát Triển

Khuyến khích sinh viên và các nhà nghiên cứu tiếp tục tìm hiểu và phát triển các mô hình xe tự cân bằng, từ đó đóng góp vào sự phát triển của công nghệ trong nước.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Ngày nay, Robot đã và đang phát triển và được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực trong cả đời sống và sản xuất. Trên thế giới các nước phát triển không ngừng nghiên cứu và chế tạo robot hiện đại để phục vụ cho nhiều lĩnh vực công nghiệp, thương mại và quân sự với độ là việc chính xác rất cao. Trong đó mô hình xe hai bánh tự cân bằng, loại robot này sử dụng một con quay hồi chuyển để phát hiện độ nghiêng của robot và điều khiển bánh xe tương ứng theo hướng ngược lại, để giữ thăng bằng trong hàng trăm lần trên một giây, dựa trên nguyên lý con lắc ngược. Một số ứng dụng của mô hình xe hai bánh tự cân bằng Mô hình xe hai bánh tự cân bằng được ứng dụng như một phương tiện di chuyển trong phạm vi chật hẹp có thể di chuyển linh hoạt.

Mô hình còn được tích hợp camera, dùng để dò dường và thăm dò theo dõi đối tượng, ngoài ra mô hình xe hai bánh còn có ứng dụng trong các lĩnh vực như y tế, giải trí, an ninh, giáo dục, gia đình,…… 1. Các đề tài xe hai bánh tự cân bằng trong nước Mô hình xe hai bánh tự cân bằng luận văn thạc sĩ của Trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh Hình 1. Mô hình xe hai bánh tự cân bằng. SVTH: Võ Trường Toản Trang 4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Đề tài này đã thực hiện thành công việc mô phỏng và thực nghiệm mô hình xe hai bánh tự cân bằng với bộ điều khiển Backstepping có đáp ứng nhanh, khả năng giữ thăng bằng tốt và ổn định trước tác động gây nhiễu.

Mô hình xe hai bánh tự cân bằng tiểu luận tốt nghiệp của sinh viên Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghệ Cần Thơ Mô hình này sử dụng bộ điều khiển PID và bộ lọc Kalman. Đáp ứng tốt giúp xe thăng bằng và di chuyển trên địa hình phẳng. Mô hình xe hai bánh tự cân bằng của sinh viên. Ưu điểm: - Xe có thể di chuyển được trên các địa hình bằng phẳng.

- Khi bị tác động xe có thể tự cân bằng nhanh chóng. - Có thể điều khiển xe bằng Bluetooth một cách dễ dàng. Nhược điểm: - Xe vẫn chưa cân bằng khi di chuyển ở các mặt phẳng gồ ghề. Các đề tài xe hai bánh tự cân bằng ngoài nước Ở trên thế giới hiện nay các kỹ thuật viên và sinh viên ngành Cơ điện tử, Tự động hóa đã nghiên cứu cho ra đời nhiều mô hình xe hai bánh tự cân bằng.

Một số mô hình xe hai bánh tự cân bằng. LegWay là một robot cân bằng từ Legos do Steve Hassenplug chế tạo. LegWay sử dụng máy dò hồng ngoại để cân bằng và thực hiện theo dõi. Ưu điểm: - Di chuyển linh hoạt trên mặt phẳng.

SVTH: Võ Trường Toản Trang 5 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN - LegWay có thể xoay tại chỗ. Nhược điểm: - Chưa điều khiển từ xa được. Mô hình LegWay. Với thói quen đi bộ và sự vội vã của người Nhật, công ty Toyota đã cho ra mắt một thiết bị di chuyển, đó là xe hai bánh tự cân bằng Winglet.

Mô hình Winglet. Ưu điểm: - Chạy bằng pin và xe có thể đạt vận tốc 6 km/h. - Xe có thể di chuyển khoảng 10 km, nguồn điện được nạp đầy trong khoảng 1 giờ. SVTH: Võ Trường Toản Trang 6 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN - Tay lái hình chữ T có thể thu gọn lại vào thân xe, tiện cho việc cất giữ hoặc vận chuyển.

Nhược điểm: - Không thể di chuyển đi xa được. - Năng lượng điện còn bị hạn chế về trụ sạt pin MiP. MiP là một robot đồ chơi MiP của Wowwee, thực hiện nhiều hoạt động khác nhau trong giữ thăng trên hai bánh xe. MiP được thiết kế với sự hợp tác giữa Wowwee và Phòng thí nghiệm Robot phối hợp tại Đại học California, San Diego.

MiP có thể điều khiển thông qua hệ thống GestureSense của XYZ Interactive. Ưu điểm: - Có thể điều khiển qua Bluetooth từ thiết bị iOS hoặc Android. - Giúp người sử dụng có thể giải trí bởi các trò chơi được lập trình sẳn trên MiP. - Di chuyển linh hoạt, tránh chướng ngại vật, nhảy theo nhạc do người dùng cung cấp.

- Có thể sử dụng được 4 đến 6 giờ. Nhược điểm: - Giá thành không rẻ nên ít người dùng có đủ điều kiện để trải nghiệm Hình 1. Mô hình MiP. SVTH: Võ Trường Toản Trang 7 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TiltOne.

TiltOne là robot hai bánh tự cân bằng với chiều cao 90 cm và có khả năng chở tải trọng lên đến 50 kg. Nguyên lý hoạt động cũng giống như các robot hai bánh có kích thước nhỏ hơn, sử dụng hai cảm biến là cảm biến gia tốc và cảm biến con quay hồi chuyển và sử dụng thuật toán PID để điều khiển giúp cho robot cân bằng. Ưu điểm: - Có thể tải các vật nặng 50kg trở lại. - Di chuyển linh hoạt.

Nhược điểm: - Kích thước quá lớn khó di chuyển trong những nơi chật hẹp. Mô hình TiltOne. Hướng nghiên cứu cho đề tài Lựa chọn linh kiện để xây dựng mô hình và tìm hiểu nguyên lý cân bằng của mô hình. Xây dựng mô hình xe hai bánh cân bằng trên thuật toán PID, tìm giá trị PID tối ưu nhất cho hệ thống.

Thiết kế cơ khí của mô hình, khắc phục bù trừ giá trị và xử lý tín hiệu cảm biến MPU6050. SVTH: Võ Trường Toản Trang 8 CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2. Mô hình hóa hệ thống xe hai bánh tự cân bằng Trong phần này, xây dựng hệ phương trình trạng thái mô tả hệ thống xe hai bánh tự cân bằng, có thể tham khảo ở tài liệu [8]. Bài toán động học: Hình 2.

Mô tả hệ thống xe hai bánh cân bằng. Mô hình xe hai bánh tự cân bằng trên hệ Oxz. Mô hình xe hai bánh tự cân bằng trên hệ Oxy. SVTH: Võ Trường Toản Trang 9 CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Bảng 2.

Ký hiệu và ý nghĩa của các đại lượng. Kí hiệu Đơn vị Ý nghĩa m kg Khối lượng của bánh xe M kg Khối lượng của Robot R m Bán kính bánh xe W m Chiều rộng của Robot D m Chiều ngang của Robot H m Chiều cao Robot L m Khoảng cách từ trọng tâm robot đến trục bánh xe fw Hệ số ma sát giữa bánh xe và mặt phẳng di chuyển. fm Hệ số ma sát giữa robot và động cơ DC Jm kgm2 Moment quán tính động cơ DC Rm  Điện trở động cơ DC Kb Vs/rad Hệ số EMF của động cơ DC Kt Nm/A Moment xoắn của động cơ DC G m/s2 Gia tốc trọng trường  rad Góc trung bình của bánh xe trái và phải  l ,r rad Góc của bánh trái và phải  rad Góc nghiêng của phần thân robot  rad Góc xoay của robot xl , yl , zl m Tọa độ bánh xe trái xr , yr , zr m Tọa độ bánh xe phải xm , ym , zm m Tọa độ trung bình F , F , F Nm Moment phát động theo các phương khác nhau SVTH: Võ Trường Toản Trang 10 CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Fl ,r Nm Moment phát động của động cơ trái, phải il , ir A Dòng điện động cơ bánh trái, phải vl , vr V Điện áp động cơ bánh trái, phải Sử dụng phương pháp Euler-Lagrange để xây dựng phương trình động học. Giả sử tại thời điểm t = 0, robot di chuyển theo chiều dương trục x, ta có các phương trình sau: Góc tịnh tiến trung bình của hai bánh xe và góc xoay của robot được xác định như sau: 1     2  l  r      [2.1]   R     r    W l  Tọa độ trung bình của Robot trong hệ qui chiếu:  xm    xm       ym    ym   [2.3]  ym   R sin   Tọa độ bánh xe trái trong hệ qui chiếu:  W   xm  2 sin    xl       W   yl    ym  W cos  [2.4] z     l  zm    Tọa độ bánh xe phải trong hệ qui chiếu: SVTH: Võ Trường Toản Trang 11 CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU  W  x  m 2 sin    xr       W   yr    ym  W cos  [2.5] z     r  zm    Tọa độ tâm đối xứng giữa hai động cơ trong hệ qui chiếu:  xb   xm  L sin cos       yb    ym L sin cos  [2.6]  z   z  L cos   b  m  Phương trình động năng của chuyển động tịnh tiến: 1 1 1      T1  m xl2  yl2  zl2  m xr2  yr2  zr2  m xb2  yb2  zb2 2 2 2  [2.7] Phương trình động năng của chuyển động quay: 1 1 1 1 1 1     2 2 T2  Jwl2  Jwr2  Jw 2  J 2  n2 Jm 1   n2 Jm r  [2.8] 2 2 2 2 2 2 Với: 1 2   2 n Jm l  : là động năng quay của phần ứng động cơ trái.

2 1 2   2 n Jm r  : là động năng quay của phần ứng động cơ phải 2 Phương trình thế năng: U  mgzl  mgzr  mgzb [2.9] Phương trình Lagrange: L  T1  T2  U [2.10] d  L  L    F dt     d  L  L    F dt     SVTH: Võ Trường Toản Trang 12 CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU d  L  L    F dt     Lấy đạo hàm L theo các biến:   F   2m  M  R2  2Jw  2n2 Jm    MLR cos  2n2 Jm   MLR 2 sin [2.11]     F  MLR cos  2n2 Jm   ML2  J  2n2 Jm   MgL sin  ML2 2 sin cos [2.12] 1 W2    F   mW  J  2 Jw  n2 Jm  ML2 sin2    2  2 ML2 sin cos 2 [2.