Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu thiết kế xe hai bánh tự cân bằng

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích kỹ thuật cơ điện tử nghiên cứu thiết kế thử nghiệm xe hai bánh tự cân bằng, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp khả thi cho

• Tác giả: Trần Anh Tứ
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Duy Anh
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử
• Đề tài: Nghiên Cứu, Thiết Kế, Thử Nghiệm Xe Hai Bánh Tự Cân Bằng
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu xe hai bánh tự cân bằng

Nghiên cứu và thiết kế xe hai bánh tự cân bằng là một lĩnh vực đang thu hút sự quan tâm lớn trong ngành công nghệ tự động hóa. Mô hình này không chỉ có ứng dụng trong các phòng thí nghiệm mà còn trong thực tiễn, như xe Segway. Việc hiểu rõ về cấu trúc và nguyên lý hoạt động của xe hai bánh tự cân bằng sẽ giúp phát triển các giải pháp điều khiển hiệu quả hơn.

1.1. Đặc điểm và nguyên lý hoạt động của xe tự cân bằng

Xe hai bánh tự cân bằng hoạt động dựa trên nguyên lý giữ thăng bằng thông qua việc điều khiển động cơ. Hệ thống cảm biến như IMU giúp thu thập dữ liệu về góc nghiêng và vị trí, từ đó điều chỉnh lực đẩy của động cơ để duy trì trạng thái cân bằng.

1.2. Lịch sử phát triển và ứng dụng thực tiễn

Xe hai bánh tự cân bằng đã được phát triển từ những năm 2000 và nhanh chóng trở thành một phần quan trọng trong công nghệ giao thông hiện đại. Các ứng dụng thực tiễn bao gồm xe Segway và các mô hình robot tự hành, cho thấy tiềm năng lớn của công nghệ này.

II. Thách thức trong thiết kế xe hai bánh tự cân bằng

Mặc dù có nhiều tiềm năng, việc thiết kế xe hai bánh tự cân bằng gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như độ ổn định, khả năng điều khiển và phản hồi từ cảm biến là những yếu tố quan trọng cần được giải quyết.

2.1. Vấn đề về độ ổn định trong điều khiển

Độ ổn định là một trong những thách thức lớn nhất trong thiết kế xe hai bánh tự cân bằng. Hệ thống cần phải duy trì thăng bằng trong khi di chuyển trên các địa hình khác nhau, điều này đòi hỏi các thuật toán điều khiển chính xác.

2.2. Khó khăn trong việc tích hợp cảm biến

Việc tích hợp các cảm biến như IMU và cảm biến quán tính vào hệ thống điều khiển là một thách thức lớn. Độ chính xác của dữ liệu cảm biến ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng điều khiển và hiệu suất của xe.

III. Phương pháp thiết kế xe hai bánh tự cân bằng hiệu quả

Để thiết kế một xe hai bánh tự cân bằng hiệu quả, cần áp dụng các phương pháp khoa học và công nghệ hiện đại. Việc sử dụng các thuật toán điều khiển như PID và LQR là rất quan trọng trong quá trình này.

3.1. Ứng dụng thuật toán PID trong điều khiển

Thuật toán PID (Proportional-Integral-Derivative) được sử dụng rộng rãi trong điều khiển xe hai bánh tự cân bằng. Nó giúp điều chỉnh lực đẩy của động cơ dựa trên sai số giữa vị trí thực tế và vị trí mong muốn.

3.2. Lợi ích của thuật toán LQR trong thiết kế

Thuật toán LQR (Linear Quadratic Regulator) cung cấp một phương pháp tối ưu để điều khiển xe hai bánh tự cân bằng. Nó giúp giảm thiểu sai số và cải thiện độ ổn định của hệ thống trong quá trình hoạt động.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng các thuật toán điều khiển hiện đại có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của xe hai bánh tự cân bằng. Các mô hình thực nghiệm đã chứng minh tính khả thi và hiệu quả của các giải pháp này.

4.1. Kết quả mô phỏng trên Matlab Simulink

Mô phỏng trên Matlab/Simulink cho thấy rằng các thuật toán PID và LQR đều có thể duy trì thăng bằng cho xe hai bánh trong nhiều điều kiện khác nhau. Kết quả này khẳng định tính hiệu quả của các phương pháp đã được áp dụng.

4.2. Ứng dụng trong thực tế và tiềm năng phát triển

Các ứng dụng thực tế của xe hai bánh tự cân bằng đang ngày càng mở rộng, từ giao thông cá nhân đến các hệ thống tự động hóa trong công nghiệp. Tiềm năng phát triển của công nghệ này là rất lớn, đặc biệt trong bối cảnh đô thị hóa ngày càng gia tăng.

V. Kết luận và hướng phát triển tương lai

Nghiên cứu và thiết kế xe hai bánh tự cân bằng không chỉ mang lại những hiểu biết mới về công nghệ điều khiển mà còn mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong thực tiễn. Hướng phát triển tương lai cần tập trung vào việc cải thiện độ ổn định và khả năng tự động hóa của hệ thống.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng các thuật toán điều khiển hiện đại có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của xe hai bánh tự cân bằng. Các mô hình thực nghiệm đã chứng minh tính khả thi và hiệu quả của các giải pháp này.

5.2. Định hướng nghiên cứu trong tương lai

Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới để nâng cao khả năng tự động hóa và độ ổn định của xe hai bánh tự cân bằng. Việc tích hợp trí tuệ nhân tạo vào hệ thống điều khiển cũng là một hướng đi tiềm năng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Trong ngành tự động hóa - điều khiển tự động nói chung và điều khiển học nói riêng, mô hình con lắc ngƣợc là một trong những đối tƣợng nghiên cứu điển hình và đặc thù bởi đặc tính động không ổn định của mô hình nên việc điều khiển đƣợc đối tƣợng này trên thực tế đặt ra nhƣ một thử thách. Kết quả nghiên cứu mô hình con lắc ngƣợc cơ bản, ví dụ nhƣ mô hình xe-con lắc, con lắc ngƣợc quay… có thể ứng dụng và kế thừa sang các mô hình tƣơng tự khác nhƣng có tính ứng dụng thực tiễn hơn, chẳng hạn nhƣ mô hình tên lửa, mô hình xe hai bánh tự cân bằng… do đó khắc phục đƣợc những nhƣợc điểm vốn có của các robot hai hoặc ba bánhkinh điển. Các robot hai hoặc ba bánh kinh điển, theo đó có cấu tạo gồm bánh dẫn độngvà bánh tự do (hay bất kì cái gì khác) để đỡ trọng lƣợng robot. Nếu trọng lƣợng đƣợc đặt nhiều vào bánh lái thì robot sẽ không ổn định và dễ bị ngã, còn nếu đặt vào nhiều bánh đuôi thì hai bánh chính sẽ mất khả năng bám.

Nhiều thiết kế robot có thể di chuyển tốt trên địa hình phẳng nhƣng không thể di chuyển lên xuống trên địa hình lồi lõm hoặc mặt phẳng nghiêng. Khi di chuyển lên đồi, trọng lƣợng robot dồn vào đuôi xe làm mất khả năng bám và trƣợt ngã. Robot dạng 3 bánh xe di chuyển trên địa hình bằng phẳng trọng lƣợng đƣợc chia đều cho bánh lái và bánh dẫn nhỏ.1: Robot dạng 3 bánh xe di chuyển trên địa hình bằng phẳng 5 Robot dạng 3 bánh xe khi xuống dốc, trọng lực dồn vào bánh sau khiến xe có thể bị lật úp.2: Robot dạng 3 bánh xe khi xuống dốc Robot dạng 3 bánh xe khi lên dốc, trọng lƣợng dồn vào bánh trƣớc khiến lực ma sát giúp xe bám trên mặt đƣờng không đƣợc đảm bảo.3: Robot dạng 3 bánh xe khi lên dốc Ngƣợc lại, các robot dạng hai bánh đồng trục lại thăng bằng rất linh động khi di chuyển trên địa hình phức tạp, mặc dù bản thân robot là một hệ thống không ổn định. Khi robot di chuyển trên địa hình dốc, nó tự động nghiêng ra trƣớc và giữ cho trọng lƣợng dồn về hai bánh chính.

Tƣơng tự, khi di chuyển xuống dốc, nó nghiêng ra sau và giữ trọng tâm rơi vào bánh chính. Vì vậy, không bao giờ có hiện tƣợng trọng tâm xe rơi ngoài vùng đỡ bánh xe để có thể gây ra lật úp.4: Robot 2 bánh di chuyển trên các địa hình khác nhau theo hƣớng bảo toàn sự thăng bằng 1.2 Tình hình nghiên cứu robot 2 bánh tự cân bằng hiện nay 1.1 Các mô hình robot 2 bánh tự cân bằng trong phòng thí nghiệm 1.1 nBot Robot nBot do David P.Anderson chế tạo. Nguyên tắc điều khiển nBot nhƣ sau: các bánh xe sẽ chạy theo hƣớng mà phần trên robot sắp ngã, nếu bánh xe có thể đƣợc lái theo cách giữ vững trọng tâm robot thì robot sẽ đƣợc giữ cân bằng. Quá trình điều khiển sử dụng tín hiệu từ hai cảm biến: cảm biến góc nghiêng của thân robot so với phƣơng của trọng lực và encoder gắn ở bánh xe để đo vị trí 7 robot.

Tín hiệu này hình thành nên 4 biến: góc nghiên thân robot, vận tốc góc nghiêng, vị trí robot và vận tốc robot; 4 biến này đƣợc tính toán thành điện áp điều khiển động cơ cho robot.2 JOE JOE do phòng thí nghiệm điện tử công nghiệp của viện Công nghệ Liên bang Lausanne, Thụy Sĩ tạo ra vào năm 2002. Hình dạng của nó gồm hai bánh xe đồng trục, mỗi bánh gắn với một động cơ DC, robot này có thể chuyển động xoay theo hình chữ U. Hệ thống điều khiển gồm hai bộ điều khiển “không gian trạng thái” (state space) tách rời nhau, kiểm soát động cơ để giữ cân bằng cho hệ thống. Thông tin trạng thái đƣợc cung cấp bởi hai encoder quang và hai cảm biến: gia tốc góc và con quay hồi chuyển (gyro).

JOE đƣợc điều khiển bởi một bộ điều khiển từ xa RC. Bộ điều khiển trung tâm và xử lý tín hiệu là một board xử lý tín hiệu số (DSP) phát triển bởi chính nhóm và của viện Federal, kết hợp với FPGA của XILINC.3 NXTway-GS Hình 1.7: NXTway-GS của LEGO MINDSTORMS 1.2 Một số sản phẩm thực tế dựa trên mô hình robot 2 bánh tự cân bằng Xe Segway Segway PT (viết tắt của Segway Personal Transporter - Xe cá nhân Segway), thƣờng đƣợc gọi tắt là Segway là một phƣơng tiện giao thông cá nhân có hai bánh, 9 hoạt động trên cơ chế tự cân bằng do Dean Kamen phát minh. Loại xe này đƣợc sản xuất bởi công ty Segway Inc. ở bangNew Hampshire, Hoa Kỳ.

Từ "Segway" phát âm gần giống với "segue" (một từ gốc tiếng Ý có nghĩa "di chuyển nhẹ nhàng"). Đặc điểm nổi bật của Segway là cơ chế tự cân bằng nhờ hệ thống máy tính, động cơ và con quay hồi chuyển đặt bên trong xe, nó giúp cho xe dù chỉ có một trục chuyển động với hai bánh nhƣng luôn ở trạng thái cân bằng, ngƣời sử dụng chỉ việc ngả về đằng trƣớc hoặc đằng sau để điều khiển xe đi tiến hoặc đi lùi.8: Xe Segway I2, I2 cargo, X2 Adventure Xe Winglet Xe Winglet do hãng Toyota phát triển đƣợc giới thiệu năm 2008 có kích thƣớc phần đế chỉ bằng tờ giấy A3. Xe dựa trên mô hình 2 bánh tự cân bằng và có cảm biến để nhận biết cử động của ngƣời điều khiển từ đó đƣa ra lệnh để xe hoạt động theo ý muốn của ngƣời điều khiển.9: Xe Winglet Iswing Toyota: Iswing đƣợc mệnh danh là một trong những ý tƣởng táo bạo nhất của ngành công nghiệp ôtô trong thời gian gần đây. Xuất hiện lần đầu tiên tại triển lãm Tokyo 2005, Iswing là biểu tƣợng cho phƣơng tiện cá nhân trong tƣơng lai bởi nó khác xa so với ôtô thông thƣờng.

Sự di chuyển, điều khiển, giao tiếp giữa ngƣời và xe đều mang tính nhân bản. Chẳng hạn nhƣ khi đặt ghế ở chế độ "thân xe mở tối thiểu", tầm mắt tài xế sẽ ngang với ngƣời đang đứng nên rất dễ trò chuyện và tạo cảm giác thân thiện. I-swing đƣợc điều khiển thông qua tay nắm và các nút, giống với cách con ngƣời sử dụng các thiết bị điện tử hàng ngày.3 Tình hình nghiên cứu robot hai bánh tự cân bằng trong nƣớc Trƣờng Đại học Bách Khoa là trƣờng Đại học tiên phong trong phòng trào nghiên cứu và chế tạo xe hai bánh tự cân bằng tại Việt Nam, có nhiều luận văn đại học và cao học đã thực hiện thành công mô hình xe hai bánh tự cân bằng: Điều khiển xe hai bánh tự cân bằng theo thích nghi theo độ dốc của học viên Nguyễn Trung Hiếu [6]. Đề tài này đã thực hiện thành công giải thuật điều khiển LQR cho hệ xe tự cân bằng.

Tuy nhiên, giải thuật điều khiển LQR chỉ đảm bảo xe đứng yên tại điểm làm việc. Khả năng điều khiển xe quẹo trái,quẹo phải, đi thẳng bị bỏ ngõ. Điều khiển xe hai bánh tƣ cân bằng dùng PID auto-tunning của học viên Hoàng Anh Vũ [7] đã điều khiển thành công hệ xe hai bánh tự cân bằng có thông số PID tự thay đổi thích nghi. Tuy nhiên, thông số điều khiển PID phải đƣợc chỉnh định trƣớc và phải rất gần giá trị tối ƣu để có thể nhanh chóng chỉnh về giá trị tối ƣu trƣớc khi xe bị mất cân bằng thực sự.

Ngoài ra, luận văn trên cũng bỏ ngõ khả năng điều khiển đi thẳng, quẹo trái, quẹo phải của xe. Ngoài ra, một số đồ án tốt nghiệp của sinh viên các trƣờng khác nhƣ đại học Sƣ phạm Kĩ thuật TPHCM cũng đã tiến hành chế tạo thử nghiệm nhƣng chƣa thành công : xe chỉ giữ thăng bằng trong một khoảng thời gian ngắn thì bị mất cân bằng. Đề tài học viên thực hiện là đề tài đầu tiên của trƣờng Đại học Công nghệ TPHCM nên khó tránh khỏi sai sót. Tuy nhiên, để tài đã thành công trong việc mô phỏng thành công hệ thống xe hai bánh tự cân bằng.

Việc mô phỏng thành công trên Matlab/Simulink. Ngoài ra, xe hai bánh tự cân bằng trong khuôn khổ luận văn có khả năng tự cân bằng tại điểm làm việc rất tốt, cho dù bị tác động tƣơng đối mạnh. Mặt khác, xe có khả năng tự quẹo trái, quẹo phải. Đây là những điều mới mẻ hơn so với các luận văn trƣớc đó.3 Giới hạn đề tài  Mặt phẳng hoạt động của hệ xe hai bánh tự cân bằng là phẳng hoàn toàn, có độ nghiêng bằng 0 và có độ bám nhất định đủ để bánh xe không bị trƣợt trong quá trình hoạt động.

12  Hai động cơ gắn với hai bánh có thông số giống nhau xem nhƣ hoàn toàn.  Dao động rung của xe xem nhƣ không ảnh hƣởng nhiều đến giá trị đọc về từ cảm biến độ nghiêng.  Xem nhƣ cả chiếc xe là một hình hộp chữ nhật hoàn hảo (thực tế hình dạng xe không là một hình hộp chữ nhật hoàn hảo). Trong đó, khối lƣợng xe đƣợc phân bố đề trong hình hộp trên.

13 CHƢƠNG 2 CÁC CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Đặc tính động lực học 2.1 Mô hình hóa robot 2 bánh tự cân bằng trên địa hình phẳng Xây dựng hệ phƣơng trình trạng thái mô tả hệ thống robot 2 bánh tự cân bằng.  : góc nghiêng của xe l ,r : góc tới lần lƣợt của bánh trái, bánh phải Hình 2.1: Mô hình robot 2 bánh tự cân bằng trên mặt phẳng Trong đề tài này sẽ sử dụng các kí hiệu, đơn vị nhƣ sau: 14 Bảng 2.