CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Giới thiệu đề tài. Trong ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa nói chung và điều khiển học nói riêng, mô hình con lắc ngược là một trong những đối tượng nghiên cứu điển hình và đặc thù vì bởi đặc tính động không ổn định của mô hình nên việc điều khiển được đối tượng này trên thực tế đặt ra nhiều thử thách. Kết quả nghiên cứu mô hình con lắc ngược cơ bản, ví dụ như mô hình xe con lắc, con lắc ngược quay.
có thể ứng dụng và kế thừa sang các mô hình tương tự khác nhưng có tính ứng dụng thực tiễn hơn như mô hình tên lửa, mô hình xe hai bánh tự cân bằng. Hệ thống xe hai bánh tự cân bằng là một đối tượng phi tuyến MIMO (Multiple In, Muliple Out) thường được dùng trong các phòng thí nghiệm để kiếm chứng các giải thuật điều khiển. Ngoài ra hệ thống cũng được phát triển thương mại ở các nước đang phát triển, tuy vậy ở Việt Nam, đề tài trên còn khá mới mẻ và nhiều thách thức như giá thành mắc, xe hoạt động ở địa hình hạn chế, kích thước xe còn lớn. Mô hình xe hai bánh tự cân bằng là một chiếc xe hai bánh được đặt dọc trục với nhau (trục song song nên khác với xe đạp thông thường).
Trên mô hình sử dụng các cảm biến để đo góc nghiêng của thân xe, vận tốc quay của sàn xe quanh trục bánh và vận tốc di chuyển của xe so với mặt đất. Nhờ những cảm biến này, xe có thể tự giữ thăng bằng và di chuyển. Bên cạnh đó, với cấu trúc này, trọng tâm của mô hình luôn nằm trong vùng đỡ của bánh xe để có thể thăng bằng khi di chuyển ở mọi bề mặt từ đơn giản đến phức tạp. 1 do an Trong hệ thống các cảm biến, để loại trừ các tín hiệu nhiễu từ hệ thống và nhiễu từ tín hiệu đo, sai số ngõ ra, có thể ước lượng tương đối chính xác giá trị đo trong tương lai của cảm biến kết hợp với các tín hiệu, bộ lọc Kalman được nghiên cứu và sử dụng nhằm cho một kết quả tối ưu về tình trạng xe gồm góc nghiêng, vận tốc quay của bánh xe từ mô hình và các cảm biến thành phần.
Nói cách khác, từ các tín hiệu đo, thông qua một số đại lượng đặc trưng của mô hình (khối lượng, chiều dài, chiều cao xe, đường kính bánh xe .), ta sẽ tính được moment quán tính nghiêng, từ đó đưa ra các giá trị điều khiển phù hợp cho động cơ ở các bánh xe để giữ mô hình thăng bằng hoặc di chuyển với một vận tốc ổn định nhất định. Định nghĩa xe hai bánh tự cân bằng. Đối với các xe hai bánh có cấu trúc giống xe đạp, vì giữ thăng bằng xe khi không di chuyển là gần như không thể, vì việc giữ thăng bằng dựa trên tính chất con quay hồi chuyển nên họ thường gắn chân chống để giữ xe không bị đổ. Còn đối với xe hai bánh tự cân bằng, chỉ có hai bánh với trụ của hai bánh xe trùng nhau, để cho xe cân bằng, trọng tâm của xe cần được giữ nằm ngay giữa các bánh xe.
Thực tế, trọng tâm của xe không được biết nằm ở vị trí nào, và cũng không có cách nào tìm ra nó, và cũng có thể không có khả năng di chuyển bánh xe mà luôn giữ xe dưới toàn bộ trọng tâm. Về mặt kỹ thuật, góc giữa xe với mặt đường và chiều trọng lực có thể biết được. Vì thế, thay vì xác định trọng tâm giữa hai bánh xe, tay lái cần được giữ thẳng đứng, vuông góc với sàn xe (góc cân bằng = 0). Nếu tay lái được đẩy nghiêng phía trước, xe sẽ chạy tới trước, và ngược lại, khi tay lái đẩy nghiêng ra sau, xe sẽ chạy lùi về sau.1 Xe hai bánh tự cân bằng lúc đứng yên 2 do an Hinh 1.2 Xe hai bánh tự cân bằng lúc di chuyển 1.
Tầm quan trọng của xe hai bánh tự cân bằng Việc thiết kế xe ba bánh làm cho xe được thăng bằng ổn định nhờ trọng lượng của nó chia vào các bánh xe. Nếu trọng lượng đặt vào bánh lái thì xe sẽ không ổn định và dễ bị ngã, còn nếu đặt vào bánh đuôi thì xe sẽ mất khả năng bám. Nhiều thiết kế xe di chuyển tốt trên địa hình phẳng, nhưng không thể di chuyển trên địa hình gồ ghề, lồi lõm. Khi di chuyển lên đồi, trọng lượng dồn vào đuôi bánh xe làm bánh lái mất khả năng bám và trượt ngã hoặc chỉ dừng lại và quay tròn bánh xe.
Khi di chuyển xuống đồi, trọng tâm xe thay đổi về phía trước làm cho xe dễ bị đổ hoặc lật úp. Việc thiết kế xe bốn bánh, giống như xe hơi hay các xe bốn bánh hiện đang sử dụng trong giao thông, không gặp các điều trên nhưng nó sẽ ko gọn gàng và thiết kế bộ phận lái sẽ gặp phiền toái khi xác định quãng đường đã đi.1 Xe 3 bánh khi di chuyển trên địa hình bằng phẳng 3 do an Hình 1.3 Xe 3 bánh khi di chuyển xuống dốc và lên dốc Trái lại, xe hai bánh tự cân bằng rất linh động khi di chuyển trên địa hình phức tạp mặc dù bản thân là một hệ thống không ổn định. Khi lên dốc, nó tự nghiêng ra phía trước và giữ trọng lượng dồn về hai bánh. Tương tự khi xuống dốc, nó tự nghiêng ra sau.
Chính vì thế, trọng tâm xe luôn ở trong vùng đỡ hai bánh xe, do đó đối với địa hình lồi lõm hoặc những ứng dụng thực tế, sự thăng bằng của xe hai bánh tự cân bằng có thể mang lại nhiều ý nghĩa thực tiễn trong giới hạn ổn định hơn đối với xe ba bốn bánh truyền thống.4 Xe hai bánh tự cân bằng khi di chuyển lên dốc và xuống dốc 1. Ưu điểm và nhược điểm của xe hai bánh tự cân bằng Ưu điểm: Không ô nhiễm môi trường, sử dụng bằng pin, có thể sạc pin. Sử dụng không gian hiệu quả, đa năng (trong nhà hoặc ngoài phố). Chiếm ít diện tích.
Dễ dàng điều khiển do tốc độ không cao. Chi phí chế tạo thấp. 4 do an Nhược điểm: Do chạy bằng pin nên thời gian sử dụng sau mỗi lần sạc ngắn. Tải trọng thấp.
Mục tiêu đề tài Mục tiêu của đề tài là xây dựng xe hai bánh tự cân bằng di chuyển trên địa hình bằng phẳng, dựa trên nền tảng lý thuyết và mô hình con lắc ngược. Khả năng di chuyển cân bằng trên hai bánh làm phương tiện di chuyển hiệu quả và linh động hơn, dễ dàng xoay xở trong không gian chật hẹp. Trong thời gian thực hiện Đồ án tốt nghiệp đại học, những mục tiêu đề tài được đề ra như sau: Tìm hiểu các loại xe hai bánh tự cân bằng đã được chế tạo trước đây, nguyên lý cơ bản về cân bằng. Tính toán các tham số động lực học, hàm trạng thái của mô hình.
Thiết kế mạch điều khiển trung tâm xử lý tín hiệu đo và đưa ra quyết định điều khiển. Thiết kế mạch điện tử kết hợp các cảm biến để đo góc (phần cứng). Giải thuật cho vi điều khiển kết hợp và bù trừ cho các cảm biến để có được giá trị đo góc. Xây dựng thuật toán PID, LQR điều khiển cho động cơ, giữ thăng bằng, ngăn ngừa quá tải cho các bánh xe.
Lập trình điều khiển. Giới hạn đề tài Giới hạn của đề tài là xây dựng thuật toán điều khiển xe di chuyển cân bằng dựa trên thuật toán PID và LQR. Xe chủ yếu di chuyển trên địa hình bằng phẳng, ít gồ ghề, mặt đường có độ dốc nhỏ hơn 15°, tải trọng nhỏ. Phương pháp nghiên cứu Xây dựng mô hình lý thuyết gồm có: Tiếp cận mô hình con lắc ngược đến mô hình thật của đề tài.
Công suất điện và điện tử. Mạch và các cảm biến. Bộ điều khiển trung tâm. Lập trình vi điều khiển.
Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước 1. Balancing robot (Bbot) Vào năm 2003, Jack Wu và Jim Bai là những sinh viên trường đại học Carnegie Mellon dưới sự trợ giúp của GS. Chris Atkeson đã thực hiện đề tài robot hai bánh tự cân bằng như đồ án tốt nghiệp.
Robot này có thể xác định vị trí hướng của nó đối với môi trường và lái động cơ theo hướng này. Để đo góc nghiêng của robot, các sinh viên này đã sử dụng hệ thống đo lường góc 2DOF được tích hợp sẵn của hãng Rotomotion. Hệ thống này gồm gia tốc kế ADXL202 và con quay hồi chuyển. Vì mạch điều khiển dùng trên robot này là BasicX 24, có nhiều tính năng khác nhau.
Nó được dùng như bộ điều khiển động cơ, COM1 được nối với Pocket PC còn COM3 thì nối với bộ điều khiển servo Mini SSC 12. Nó còn sử dụng CPU cho việc điều khiển thăng bằng robot. nBot nBot do David P.Anderson sáng chế, nBot được lấy ý tưởng để cân bằng như sau: các bánh xe phải chạy theo hướng mà phần trên của robot sắp ngã. Nếu bánh xe có thể được lái theo cách đứng vững theo trọng tâm robot, robot vẫn sẽ giữ được cân bằng.
Trong thực tế, điều này đòi hỏi hai cảm biến thông tin phản hồi: cảm biến góc nghiêng để đo góc nghiêng của robot với trọng lực, và encoder trên bánh xe để đo vị trí cơ bản của robot. Bốn thông số ngõ vào để xác định hoạt động và vị trí của xe con lắc ngược cân bằng là: góc nghiêng, đạo hàm góc nghiêng và vận tốc góc, vị trí bánh xe, đạo hàm vị trí bánh xe và vận tốc bánh xe. Bốn giá đo lường được cộng lại và phản hồi với điện áp động cơ, tương ứng với moment quay, cân bằng, và bộ phận lái robot. 6 do an Hình 1.
JOE Phòng thí nghiệm điện tử công nghiệp của Viện công nghệ Federal, Lausanne, Thụy Sĩ, đã tạo ra cuộc cách mạng đầu tiên khi xây dựng mô hình xe hai bánh. Robot JOE cao 65cm, nặng 12kg, tốc độ tối đa khoảng 1,5m/s, có khả năng leo dốc nghiêng đến 30°, nguồn điện cấp là nguồn pin 32V. Hình dạng của nó gồm hai bánh xe trục, mỗi bánh xe gắn với một động cơ DC, chiếc xe này có thể chuyển động theo hình U. Hệ thống điều khiển được lắp từ hai bộ điều khiển state-space tách rời nhau, kiểm soát động cơ để giữ thăng bằng cho hệ thống.
Những thông tin trạng thái của JOE được cung cấp bởi hai encoder quang và vận tốc con quay hồi chuyển. JOE được điều khiển bởi một bộ điều khiển từ xa R/C thường được sử dụng để điều khiển các máy bay mô hình.