Chương 1 Tổng Quan Tiến hành chạy thực nghiệm và phân tích đáp ứng của hệ thống và so sánh với kết quả mô phỏng.5 Phương pháp nghiên cứu Xây dựng mô hình lý thuyết gồm có: Tiếp cận từ mô hình tương đương - mô hình con lắc ngược đến mô hình thật của đề tài. Mô phỏng mô hình trên MATLAB. Tiếp cận mô hình thực: Thiết kế khung cơ khí cho hệ thống. Mạch nguồn 12V và 5V cung cấp cho mạch cầu H, vi điều khiển.
Module cảm biến Gyro – 86. Vi điều khiển trung tâm. Lập trình cho vi điều khiển. Đồ án tốt nghiệp 9 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2 Cơ Sở Lý Thuyết 2.1 Thế nào là xe hai bánh tự cân bằng Hình 2.1 Mô hình Nguyên lý giữ thăng bằng Đối với các xe ba hay bốn bánh, việc giữ thăng bằng của chúng là do trọng tâm nằm trong mặt chân đế do các bánh xe tạo ra.
Đối với các xe hai bánh có cấu trúc như xe đạp, việc giữ thăng bằng khi không di chuyển là không thể, vì việc giữ thăng bằng của xe dựa vào tính chất của con quay hồi chuyển ở hai bánh xe khi đang quay. Còn đối với xe hai bánh tự cân bằng, là loại xe chỉ có hai bánh với trục của hai bánh trùng nhau, để cho xe cân bằng, trọng tâm của xe (bao gồm người sử dụng chúng) cần được nằm ngay giữa các bánh xe. Điều này giống như việc ta giữ một cây gậy thẳng đứng nằm cân bằng trong lòng bàn tay. Về mặt kỹ thuật, góc của sàn scooter và chiều của trọng lực có thể biết được.
Do vậy, thay vì cách xác định trọng tâm giữa các bánh xe, tay lái cần được giữ thẳng đứng, vuông gốc với sàn (góc cân bằng khi đó là zero).2 Mô tả cách bắt đầu di chuyển Nếu tay lái được đẩy hơi nghiêng về trước, scooter sẽ chạy tới trước và khi được đẩy nghiêng về phí sau, scooter sẽ chạy lùi. Đây là một phân tích lý tính. Hầu hết mọi người đều có thể kiểm soát tay lái trong vòng vài giây và giữ lấy nó.Để dừng lại, chỉ cần kéo trọng tâm về phía ngược với hướng đang di chuyển thì tốc độ Đồ án tốt nghiệp 10 Chương 2 Cơ Sở Lý Thuyết xe sẽ giảm. Do tốc độ cảm nhận và phản ứng thăng bằng của mỗi người là khác nhau, nên xe scooter hai bánh tự cân bằng chỉ thiết kế dành cho một người.2 Tại sao phải thiết kế xe hai bánh cân bằng Những mobile robot xây dựng hầu hết robot là những robot di chuyển bằng ba bánh xe, với hai bánh xe được lắp rắp đồng trục, và một bánh đuôi nhỏ.
Có nhiều kiểu khau, nhưng đây là kiểu thông dụng nhất. Còn đối với xe bốn bánh thường một lại được lắp thêm một bánh lái. Việc thiết kế ba hay bốn bánh làm cho xe/mobile robot được thăng bằng ổn đinh nhờ trọng lượng của nó được chia cho hai bánh lái chính và bánh đuôi, hay bất kì cái nào khác để đỡ trọng lượng của xe. Nếu trọng lượng được đặt nhiều vào bánh lái của xe/robot sẽ không ổn định dễ bị ngã, còn nếu đặt nhiều vào bánh đuôi thì hai bánh chính mất khả năng bám.
Nhiều thiết kế xe/robot có thể dic chuyển tốt trên đia hình phẳng, nhưng không thể di chuyển trên địa hình lồi lõm (mặt phẳng nghiêng). Khi di chuyển lên đồi, trọng lượng của xe/robot dồn vào đuôi xe làm hai bánh mất khả năng bám và trượt ngã. Đối với những bậc thang, thậm chí nó dừng hoạt động và chỉ xoay tròn bánh xe. Khi di chuyển xuống đồi, sự việc còn tồi tệ hơn, trọng tâm thay đổi về phía trước và thậm chí xe/robot bị lật úp khi di chuyển trên bậc thang.
Hầu hết những xe/robot có thể leo lên những dốc ít hơn là khi chúng dichuyển xuống, bị lật úp khi độ dốc chỉ 150 hay 200. Việc bố trí bốn bánh xe, giống như xe hơi đồ chơi hay các loại xe bốn bánh đang sữ dụng trong giao thông không gặp vấn đề nhưng điều này sẽ làm các mobile robot không gọn gàng và thiết kế bộ phận lái (cua quẹo) gặp một chút phiền toái để có thể đọc chính xác quãng đường đã đi. Đồ án tốt nghiệp 11 Chương 2 Cơ Sở Lý Thuyết Ngược lại, các xe dạng hai bánh đồng trục hay thăng bằng rất linh động khi di chuyển trên đia hình phức tạp, mặc dù bản thân là một hệ thống không ổn định. Khi nào di chuyển lên sườn dốc nó tự động nghiêng về phía trước và giữ cho trọng lượng dồn về hai bánh lái chính.
Tương tựu như vậy, khi xuống dốc nó sẽ nghiêng ra sau và giữ cho trọng tâm dồn vào hai bánh lái. Chính vì vậy, không bao giờ có hiện tượng trọng tâm của xe rơi ra ngoài vùng đỡ của các bánh xe để có thể gây ra sự lật úp.4 Trạng thái xe hai bánh di chuyển trên địa hình phẳng, dốc Đối với những địa hình lồi lõm và những ứng dụng thực tế, sự thăng bằng của xe hai bánh có thể mang lại nhiều ý nghĩa trong giới hạn ổn định hơn là đối với xe ba bánh truyền thống.3 Ưu nhược điểm của xe hai bánh tự cân bằng 2.1 Ưu điểm của xe scooter tự cân bằng trên hai bánh Không ô nhiễm, sự dùng bình điện và có thể sạc điện. Sử dụng không gian hiệu quả, đa dạng (sử dụng trong nhà và ngoài phố). Dễ dàng lái xuống đường, dừng lại và nó chuyện với bạn bè.
Scooter tự cân bằng này khác hẳn với các loại xe đạp hay xe đẩy bình thường, vì chúng dễ kéo đẩy và không gây khó khăn khi dừng lại. Khá dễ để lái vòng quanh văn phòng, chạy ngang qua cửa ra vào do dốc độ thấp. Ngoài ra, nó có thể xuống các bậc thang, bậc thềm thấp. Đồ án tốt nghiệp 12 Chương 2 Cơ Sở Lý Thuyết Chiếm ít diện tích nên nó không gây tắt nghẽn giao thông như các loại xe bốn bánh.
Như một phương tiện di chuyển trên vỉa hè, nó cho phép di chuyển trong nơi đông đúc, và hoàn toàn có thể đi trên lề đường. Giá thành thấp hơi so với xe hơi. Cuốn hút người sử dụng cũng như mọi người xung quanh vì hình dáng kì lạ của nó, phá vỡ các hình ảnh thường thấy về các phương tiện giao thông của con người.2 Nhược điểm của xe Không thể thư giãn và khá mệt trong di chuyển vì phải đứng để điều khiển. Vì đứng trên mặt sàn rung (do động cơ gây ra) và cứng làm chân mỏi.
Do luôn giữ tư thế thẳng đứng để trọng lượng cơ thể đặt ở trọng tâm và đôi lúc gặp phải đoạn đường xấu khiến cơ thể người điều khiển mỏi mệt. Không thể làm những việc khác khi đứng trên scooter này, chẳng hạn vừa đi vừa nghe điện thoại, hoặc uống nước. Scooter không đủ nhanh để di chuyển đường trường và không đủ an toàn để lên xuống lề đường. Không thể vận chuyển hai người một lúc trên cùng một xe.
Không thể leo bậc thang có chiều cao quá 1/2 bán kính của xe.4 Khả năng ứng dụng Xây dựng được một phương tiện vận chuyển mới trong khu vực chật hẹp có thể di chuyển ngay trong các chung cư tòa nhà cao tầng, dùng trợ giúp di chuyển cho người già và trẻ em vận chuyển. Làm phương tiện vận chuyển hàng hóa đến các nơi đã lập trình sẵn trong các tòa nhà, phòng làm việc, những không gian chật hẹp, khó xoay sở. Thậm chí kết hợp trên các robot có hình dạng tương tự con người, nếu kết hợp với các robot camera, robot dò đường, robot lái mặt đường thì hiệu quả các công dụng cụ thể cực kỳ linh hoạt. Tuy vậy vẫn phải giải quyết thêm về phần xuống cầu thang.5 Giới thiệu thuật toán PID Có thể nói trong lĩnh vực điều khiển, bộ điều khiển PID được xem như là một giải pháp đa năng cho các ứng dụng điểu khiển tương tự hay điều khiển số.
Hơn 90% các bộ điều khiển trong công nghiệp được sử dụng là bộ điều khiển PID. Nếu được thiết kế tốt, bộ điều khiển PID có khả năng đáp ứng tốt các chỉ tiêu chất Đồ án tốt nghiệp 13 Chương 2 Cơ Sở Lý Thuyết lượng: chất lượng đáp ứng nhanh, thời gian quá độ ngắn, độ quá điều chỉnh thấp, triệt để được sai lệch tĩnh. Các tham số của bộ điều khiển là K P , K I (hoặc Ti ), K D (hoặc TD ).1 Thành phần tỉ lệ (P) u (t ) K p e(t ) (2.1) Tác động của thành phần tích phân đơn giản là tín hiệu là tín hiệu điều khiển tỉ lệ tuyến tính với sai lệch điều khiển. Ban đầu, khi sai lệch lớn thì tín hiệu điều khiển lớn.
Sai lệch giảm dần thì tín hiệu điều khiển cũng giảm dần. Khi sai lệch e(t ) 0 thì u(t ) 0. Một vấn đề là khi sai lệch đổi dấu thì tín hiệu điều khiển cũng đổi dấu. Thành phần P có ưu điểm là tác động nhanh và đơn giản.
Hệ số tỉ lệ K P càng lớn thì tốc độ đáp ứng càng nhanh, do đó thành phần P có vai trò lớn trong giai đoạn đầu của quá trình quá độ. Tuy nhiên, khi hệ số K P càng lớn thì sự thay đổi của tín hiệu điều khiển càng mạnh dẫn đến dao động lớn, đồng thời làm hệ nhạy cảm với nhiễu đo. Hơn nữa, đối với đối tượng không có đặc tính tích phân thì sử dụng bộ P vẫn tồn tại sai lệch tĩnh.2 Thành phần tích phân (I) t u(t ) K I e( )d (2.2) 0 Với thành phần là tích phân, khi tồn tại một sai lệch điều khiển dương, luôn làm tăng tín hiệu điều khiển, và khi sai lệch là âm thì luôn làm giảm tín hiệu điều khiển, bất kể sai lệch đó là nhỏ hay lớn. Do đó, ở trạng thái xác lập, sai lệch bị triệt tiêu e(t ) 0.
Đây cũng là ưu điểm của thành phần tích phân. Nhược điểm của thành phần tích phân là do phải mất một khoảng thời gian để đợi e(t ) về 0 nên đặc tính tác động của bộ điều khiển sẽ chậm hơn. Ngoài ra, thành phần tích phân đôi khi còn làm xấu đi tính động học của hệ thống, thậm chí có thể làm mất ổn định. Người ta thường sử dụng bộ PI hoặc PID thay vì một bộ I đơn thuần để cải thiện tốc độ đáp ứng, vừa đảm bảo yêu cầu tính động học của hệ thống.3 Thành phần vi phân (D) de(t ) u (t ) (2.
