Đặt vấn đề Với mục tiêu thiết kế robot leo trụ tròn, trụ côn và với các phân tích các dạng Robot leo trên, việc chế tạo một robot leo trụ có tính linh hoạt, di chuyển nhanh, chính xác và tin cậy, không gây tốn nhiều năng lượng, không đòi hỏi sự phức tạp khi lập trình và thiết kế mạch điều khiển.Tôi chọn phương án leo liên tục để chế tạo robot leo trụ. Với lựa chọn thiết kế robot leo liên tục trên trụ, mục tiêu đặt ra là phải điều khiển được Robot giữ liên tục trên trụ và điều khiển được tốc độ di chuyển ổn định 5 trên trụ. Do đó robot sẽ được thiết kế trên hai hệ thống độc lập, một hệ thống tạo ra lực nén và được điều khiển để luôn luôn tạo ra 1 lực F đủ lớn để giữ robot đứng yên trên trụ và một hệ thống các bánh xe chuyển động được điều khiển đồng tốc để đưa robot di chuyển đều trên trụ. Mục tiêu của đề tài là thiết kế robot bằng 2 hệ thống độc lập.
Điều khiển lực nén và điều khiển tốc độ. Cụ thể: - Thiết kế hệ thống cơ khí robot, tính toán các lực cần thiết để nén và di chuyển robot. - Xây dựng các hàm truyền động học cho hệ thống. - Xây dựng, lập trình thuật toán PID để điều khiển động cơ DC, điều khiển hệ thống.
- Tìm hiểu cách kết nối, điều khiển của các cảm biến vị trí, encoder, các động cơ DC … - Thiết kế lựa chọn mạch vi xử lý, các mạch điều khiển công suất của động cơ. - Thiết kế bản vẽ, xây dựng và lắp ráp mô hình thực để kiểm nghiệm.4 Phương pháp nghiên cứu - Tiếp cận, xây dựng mô hình lý thuyết gồm có. o Tiếp cận các mô hình cơ khí để lựa chọn thiết kế tối ưu. o Tiếp cận lý thuyết điều khiển.
o Tiếp cận các lý thuyết mạch vi xử lý, cảm biến vị trí, encoder, động cơ DC. - Tiếp cận, xây dựng mô hình thực: o Thiết kế mô hình cơ khí. o Phân tích và thiết lập hàm truyền. o Mô phỏng hàm truyền bằng Matlab.
o Thiết kế mạch điều khiển. o Chạy mô hình thực để kiểm nghiệm. 6 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Cơ sở thuật toán PID: 2.1 Những kiến thức cơ sở về bộ điều khiển PID Bộ PID có nhiệm vụ đưa sai lệch e(t) của hệ thống về 0 sao cho quá trình quá độ thỏa mãn các yêu cầu cơ bản về chất lượng: - Nếu sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua khâu khuếch đại, tín hiệu u(t) càng lớn. - Nếu sai lệch e(t) chưa bằng 0 thì thông qua khâu tích phân, PID vẫn còn tạo tín hiệu điều chỉnh.
- Nếu thay đổi của sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần vi phân, phản ứng thích hợp của u(t) sẽ càng nhanh. Bộ điều khiển PID được mô tả bằng mô hình vào-ra: u(t) = kp ( e(t) + + Td Ti Hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID R(S) = Kp ( 1 + TDS ) Hình 2.1 Điều khiển phản hồi vòng kín với bộ điều khiển PID 7 2.2 Vai trò của các khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân 2.1 Khâu tỉ lệ Giá trị càng lớn thì tốc độ đáp ứng càng nhanh, do đó sai số càng lớn, bù khâu tỉ lệ càng lớn. Nếu độ lợi của khâu tỉ lệ quá cao, hệ thống sẽ không ổn định. Ngược lại, độ lợi nhỏ là do đáp ứng đầu ra nhỏ trong khi sai số đầu vào lớn, và làm cho bộ điều khiển kém nhạy, hoặc đáp ứng chậm.
Nếu độ lợi của khâu tỉ lệ quá thấp, tác động điều khiển có thể sẽ quá bé khi đáp ứng với các nhiễu của hệ thống.2 Vai trò của khâu tỉ lệ trong bộ điều khiển PID 2.2 Khâu tích phân Hình 2.3 Vai trò của khâu tích phân trong bộ điều khiển PID 8 Phân phối của khâu tích phân (đôi khi còn gọi là reset) tỉ lệ thuận với cả biên độ sai số lẫn quảng thời gian xảy ra sai số. Tổng sai số tức thời theo thời gian (tích phân sai số) cho ta tích lũy bù đã được hiệu chỉnh trước đó. Tích lũy sai số sau đó được nhân với độ lợi tích phân và cộng với tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển. Biên độ phân phối của khâu tích phân trên tất cả tác động điều chỉnh được xác định bởi độ lợi tích phân.
Giá trị càng lớn kéo theo sai số ổn định bị khử càng nhanh. Đổi lại là độ vọt lố càng lớn: bất kỳ sai số âm nào được tích phân trong suốt đáp ứng quá độ phải được triệt tiêu tích phân bằng sai số dương trước khi tiến tới trạng thái ổn định.3 Khâu vi phân.4 Vai trò của khâu vi phân trong bộ điều khiển PID Khâu vi phân làm chậm tốc độ thay đổi của đầu ra bộ điều khiển và đặc tính này là đang chú ý nhất để đạt tới điểm đặt của bộ điều khiển. Từ đó, điều khiển vi phân được sử dụng để làm giảm biên độ vọt lố được tạo ra bởi thành phần tích phân và tăng cường độ ổn định của bộ điều khiển hỗn hợp. Tuy nhiên, phép vi phân của một tín hiệu sẽ khuếch đại nhiễu và do đó khâu này sẽ nhạy hơn đối với nhiễu 9 trong sai số, và có thể khiến quá trình trở nên không ổn định nếu nhiễu và độ lợi vi phân đủ lớn Bảng 1 : Tác động của việc tăng một số thông số độc lập Thời gian Thời gian Quá độ ( Thông xác lập ( khởi động ( Oversho sai số ổn định Độ ổn định số Setling Rise time) ot) time) Thay đổi Kp Giảm Tăng Giảm Giảm cấp nhỏ Ki Giảm Tăng Tăng Giảm đáng kể Giảm cấp Về lý thuyết Cải thiện Kd Giảm ít Giảm ít Giảm không tác động nếu Kd nhỏ 2.2 Vi điều khiển ATmega32 2.1 Giới thiệu ATmega32 ATmega32 là vi điều khiển chuẩn CMOS 8 bit tiết kiệm năng lượng, được chế tạo dựa trên cấu trúc AVR RISC (Reduced Instruction Set Computer), đây là cấu trúc có tốc độ xử lý cao hơn nhiều so với cấu trúc CISC (Complex Instruction Set Computer).
Tần số hoạt động của vi điều khiển AVR bằng với tần số của thạch anh, trong khi với họ vi điều khiển theo cấu trúc CISC như họ 8051 thì tần số hoạt động bằng tần số thạch anh chia cho 12. Hầu hết các lệnh được thực thi trong một chu kỳ xung nhịp, do đó ATmega32 có thể đạt được tốc độ xử lý đến một triệu lệnh mỗi giây (với tần số 1MHz). Đặc điểm này cho phép người thiết kế có thể tiết kiệm tối đa mức độ tiêu thụ năng lượng mà vẫn đảm bảo tốc độ xử lý.2 Các đặc tính của ATmega32: - Hiệu năng cao, tiêu thụ ít năng lượng. - Kiến trúc RISC: o 131 lệnh – hầu hết các lệnh thực thi trong một chu kỳ máy.
o 32 thanh ghi 8 bit đa năng. o Tốc độ thực hiện lên tới 16 triệu lệnh trong 1 giây (tần số 16MHz). - Các bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu: o 32Kbyte bộ nhớ Flash có khả năng tự lập trình trong hệ thống. - Có thể thực hiện được 10.
o Vùng mã Boot tùy chọn với những bit khóa độc lập. o Lập trình trong hệ thống bởi chương trình on-chip boot. o Thao tác đọc ghi trong khi nghỉ. - Ghép nối ngoại vi: o 2 bộ định thời/bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số độc lập và chế độ so sánh.
o 1 bộ định thời/bộ đếm 16 bit với bộ chia tần số, chế độ so sánh và chế độ bắt mẫu (Capture). o Bộ đếm thời gian thực với bộ dao động độc lập. o Bốn kênh PWM. o Bộ ADC 8 kênh 10 bit.
o Bộ truyền dữ liệu đồng bộ/bất đồng bộ USART. o Bộ truyền dữ liệu chuẩn SPI. o Watchdog timer khả trình với bộ dao động nội riêng biệt. o Bộ so sánh Analog.
- Các đặc điểm khác: o Power-on Reset và phát hiện Brown-out khả trình. o Bộ tạo dao động nội. o Nguồn ngắt nội và ngoại. 11 o 6 chế độ ngủ: Idle, ADC noise reduction, Power-save, Power-down, Standby và Extended Standby.
- Ngõ vào/ra: có 32 ngõ vào ra. - Điện áp hoạt động: o 2.5V đối với ATmega32L.5V đối với ATmega32. - Tần số hoạt động: o 0 – 8MHz đối với ATmega32L. o 0 – 16MHz đối với ATmega32.3 Sơ đồ chân của ATmega32 Hình 2.6 Sơ đồ chân của ATmega32 - GND: chân nối mass.
- VCC: điện áp nguồn. - Port A (PA0…PA7): ngõ vào/ra Port A. - Port B (PB0…PB7): ngõ vào/ra Port B. - Port C (PC0…PC7): ngõ vào/ra Port C.
- Port D (PD0…PD7): ngõ vào/ra Port D. 12 - Reset: Chân ngõ vào. Khi đặt vào chân này điện áp mức thấp trong thời gian xác định (xem trong datasheet) thì sẽ reset chương trình. Nếu thời gian ngắn hơn thì việc reset không thành công.
- XTAL1: ngõ vào khuếch đại dao động đảo và cũng là ngõ vào mạch tạo xung nội. - XTAL2: ngõ ra của mạch khuếch đại dao động đảo. - AVCC: là chân nguồn cấp cho Port A và bộ chuyển đổi A/D. Nên nối chân này với chân VCC ngay cả khi không sử dụng ADC.
Nếu dùng ADC thì nên nối chân này với chân VCC qua 1 tụ lọc thông thấp. - AREF: chân tham chiếu điện áp analog của bộ chuyển đổi A/D. Mạch cầu H chỉ là một mạch điện giúp đảo chiều dòng điện qua một đối tượng.7 Nguyên lý hoạt động mạch cầu H. Trong hình 2 đầu V và GND là 2 đầu (+) và (-) của ắc qui, “đối tượng” là động cơ DC cần điều khiển, “đối tượng” này có 2 đầu A và B, mục đích điều khiển là cho phép dòng điện qua “đối tượng” theo chiều A đến B hoặc B đến A.
Thành phần chính tạo nên mạch cầu H của chúng ta chính là 4 “khóa” L1, L2, R1 và R2 (L: Left, R:Right). Ở điều kiện bình thường 4 khóa này “mở”, mạch cầu H không hoạt động. 13 Thành phần chính của mạch cầu H chính là các “khóa”, việc chọn linh kiện để làm các khóa này phụ thuộc vào mục đích sử dụng mạch cầu, loại đối tượng cần điều khiển, công suất tiêu thụ của đối tượng và cả hiểu biết, điều kiện của người thiết kế. Nhìn chung, các khóa của mạch cầu H thường được chế tạo bằng rờ le (relay), BJT (Bipolar Junction Transistor) hay MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor).1 Cấu tạo chính của Encoder: Encoder mục đích dùng để xác định vị trí góc của một đĩa quay, để đo tốc độ và chiều quay của thiết bị, đĩa quay có thể là bánh xe, trục động cơ, hoặc bất kỳ thiết bị quay nào cần xác định vị trí góc.
