CHƯƠNG 1. THONG TIN CHUNG. Lý do chọn đề tài: .--- ¿+52 +s St E9EE2EEE121215112111211121111 11111111 cy 0 6 2. Mục tiêu đề tầi.
¿5 +5: t2 x921212212121211212111121111111111211121 11x rrye 7 CHƯƠNG 3. TÍNH MỚI VÀ SÁNG TẠO. Phân tích hiện trang. Tình hình nghiên cứu quốc tẾ.
Phân tích các công nghỆ. Đề xuất mô hình hệ thống.--- + ¿E522 E+EE+E£EE+E££E+EEZEeEEzEerkzxerszei 10 3. Kỹ thuật kết hợp cảm biến. Phương pháp điều khién hệ thống cân bằng.
Phương pháp điều khiển PITD.---- - ¿2E SE+E+E£EE£E£EeErErEerererrses 14 3. Tính mới và sáng tạo của đề tài. TÓM TAT KET QUA NGHIÊN CỨU. Đặc ta kỹ thuat.
Thiết kế hệ thong. Bộ điều khiển mô Hin. Vi điều khién ESP32 NodeMCU.--2- 25225225 2xe£xe£vzzxzrerei 18 ' ro 00) 8. Động cơ giảm tốc JGY 370.-¿-¿- + +2 EE2EEE211111121211 11x xe, 20 4.4 Màn hình LCD2004 và I2C kết nối LCD .-- ¿2 +e s2 +E+e£z£zE+zsz 21 Ti c7.
Cảm biến gia tỐC .-- 52 52t 222EEE12EE2121211121112111 21111111 ce. Cảm biến con quay hồi chuyền. Thuật toán Sensor FUSIOI. Thuật toán Inverse KInematIcs.NjÔvh sào 0i dcaaaaiaiiidtt.
Mô phỏng hoạt động hệ thống. Kết quả nghiên CỨU.----¿- 2 ¿++Sx+S+2E£2EE2EE2E£EEEEEEEEEEEEEEEEerkerkrrrrrrrvee 38 CHUONG 5. HIEU QUA, PHƯƠNG THỨC CHUYEN GIAO KET QUA NGHIÊN CUU VA KHẢ NANG ÁP DUNG.cccccecceeccecececeeuceeeeens 45 TAI LIEU THAM KHAO.cccccecceccccecccccceccectceeecceceeeceusttteceeneeess 46 DANH MỤC HÌNH Hình 1: Hình mình họa [[lÏ. cee cee cà.
cà cen cà. se Sky kề xi xe sec các cá SẼ Hình 2: Ung dụng hệ thống trên xe hơi. ces csc Sàn cà ses ves cess cesses es sec seed Hình 3: Thiết bị mô phỏng bay của tiến sĩ Steward [27J. cess vse vee c+c----.
Hình 4: Tổng quan vẻ hệ thong điêu khiển vòng kín.---- cee eve eee vee dO Hình 5: Minh họa hệ thống góc nghiêng Pitch, Roll, Yaw [19J. Ï2 Hình 6: Mô hình hệ thong thực tế dựa trên lý thuyẾT. ccc cee ves «5. z+c<ccceccccse+ 17 Hình 7: Board mạch điều khiển E.
cesses cse cee cee se sus se se se. 18 Hình 8: Mach cầu H L298N. cà tester HH se ee HH he coneer eee sec TÔ Hình 9: Động cơ giảm tốc JŒY370. ces ce ces ces sẽ sec se sê se xe sec eee ene 20 Hình 11: I2C kết nối LCD.
cào cà ee con cà tee co sẽ nee th se eee cae se ve se sex 2Ï Hình 12: Cấu tạo cơ bản của cảm biến gia tốc sử dung công nghệ MEMS [17] va CO NOC [ ÏẾ]L. ses uee cee HE SH. ses sua cee see ky eee kh eee ces kết suy cee sens D4 Hình 13: Cau tao cơ ban của con quay hồi chuyển sử dung công nghệ MEMS [20] Và CƠ họC [21]. cee see uee see seuee use ses ky suy kết ky si các 2) Hình 14: Nhiéu dau ra của cảm biến gia tốc và hiện tượng Drift và Gyroscope Hình 15: Quá trình "Predict" và "Update" của bộ loc Kalman [23].
28 Hình 16: Kết quả kiểm tra mức độ Drift giữa hai bộ lọc. --------5: eves 29 Hình 17: So sánh tốc độ phản hồi giữa hai bô lọc.29 Hình 18: Kết quả kiểm tra của hai bộ lọc trong môi trường có nhiễu. 30 Hình 19: Mô phỏng trực diện dé tài. cà cà ces cee se se sọ es se se.Ï Hình 20: Tổng quan mô hình hệ thống.
coe ces ces csvee see sẽ sẽ cà ses vase eeees32 Hình 21: Mô hình của 1 trục (I-DOF). cence cen cee kh kinh nhe 33 Hình 22: Vòng lặp kín của hệ thong PID. ce cằ25 ses sec sees sec sessed Hình 23: Tốc độ phản hồi thực tế của mô hình do trên trục Pitch. 39 Hình 24: Tốc độ phản hôi thực tế của mô hình do trên trục Roll.
39 Hình 25: Biểu đồ phan ứng của hệ thong trên trục Roll, Pitch.-- 40 Hình 26: Kết quả mô phỏng của hệ thống.--- c5 ce ves ees sec sec vee se +40 Hình 27: Kết quả mô phỏng giải thuật PID. ccc c2 es SE sue seve ses ee se 4] Hình 28: Kết qua thử nghiệm thực tế giải thuật PID trên động cơ.- 41 Hình 29: Cách bố trí động €Ơ. cee cee cà cee cà cess ses esse vee tre caves sec. eee42 Hình 30: Mô hình từ góc nhìn hình chiếu đứng .42 Hình 31: Tổng quan mô hình thử nghiệm trong thực tẾ.43 DANH MỤC BANG Bảng 1: So sánh ưu và nhược điêm cua hai loại cảm biến Bảng 2: Thông số Denavit-HartenDPUFTg.
cee cee cee cài cài cà tee cee tee kh ky si DANH MỤC TỪ VIET TAT Từ viết tắt Viết đầy đủ Ý nghĩa ADC Analog to Digital Converter Bộ chuyên đồi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số ARM Advance RISC Machine Cấu trúc vi xử lý kiêu RISC CAN Controller Area Network Chuan giao tiếp giữa vi điều khiến và ngoại vi không cần host computer CNC Computer Numerical Control Hệ thống máy gia công cơ khí điều khiển băng máy tính CPLD Complex Programable Logic Device Vi mach kha lập trình được xây dựng trên nền EEPROM CPU Central Processor Uint Bộ xử ly trung tam DAC Digital to Analog Converter Bộ chuyên đôi tin hiệu số sang tín hiệu tương tự DMA Direct Memory Access Dong dién mét chiéu FSMC Flexible Static Memory Controller Bộ điêu khiến giao tiếp bộ nhớ ngoại vi GUI Graphical User Interface Giao diện đồ họa người dùng HMI Human — Machine Interface Giao diện tương tác người - may RC Inter — Intergrated Circuit Chuan giao tiép noi tiép 2 day gitta vi diéu khién va ngoai VI IC Intergrated circuit Vi mach tich hop IDE Intergrated Development Environment Môi trường phat trién / lập trình tích hợp IEEE Institute of Electrical and Electronics Viện Kỹ sư Điện va Điện tử Engineers IMU Inertial Measurement Unit Cảm biến góc quay Matlab Matrix Laboratory Phần mềm cung cấp môi trường tính toán số và lập trình MCU Micro Controller Unit Vi điều khiên PC Personal Computer Máy tính cá nhân PID Proportional Integral Derivative Bộ điều khiến vi tích phân tỷ lệ - Bộ điều khiển PID PWM Pulse Width Moduration Điều chế độ rộng xung SPI Serial Peripheral Interface Giao tiếp ngoại vi nối tiếp (SPD SRAM Static Random Access Memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên UART Universal Asynchronous Receiver — Chuan truyén thông nối tiếp Transmitter bat đồng bộ USB Universal Serial Bus Chuẩn kết nối nỗi tiếp có dây trong máy tính DANH MỤC ĐƠN VỊ ĐO LƯỜNG Ký hiệu Tiếng Anh Đại lượng m Meter Chiều dài cm Centimeter Chiều dài mm Millimeter Chiều dài kg Kilogram Khối lượng m/s Meter/second Vận tốc deg Degree Góc rad Radian Góc N Newton Luc TOM TAT KHÓA LUẬN Hiện nay, khái niệm 3-DOF xuất hiện để miêu tả cho các loại robot song song có ba chân. Đối với cum từ 3-DOF được sử dung ở đây, được hiéu là hệ thống tự cân bằng 3 trục điều khiển Steward Platform và đó cũng là nguồn gốc của tên gọi này. Kế thừa từ nghiên cứu trước, chúng ta biết được Việt Nam mới tập trung vào vấn đề nghiên cứu 3-DOF từ năm 2002 cho đến nay, số lượng công trình nghiên cứu và tìm hiểu về 3-DOF ở Việt Nam không nhiều, các kết quả thu được phan lớn tập trung ở mảng mô phỏng, cánh tay song song có định, hướng đến tối ưu hóa thiết kế và giải thuật điều khiển mô hình. So với các sản phẩm 3-DOF đã thương mại hóa trên thị trường thì các kết quả nghiên cứu ở Việt Nam chưa thật sự nồi bật.
Dé tìm hiểu về khả năng chế tạo, bài toán tiếp tục đặt ra để tìm kiếm những mô hình phi thủy khí có đáp ứng tốt hơn, tập trung vào điều khién động cơ bằng hệ thống nhúng kết hop giữa ARM và CPLD. Bộ điều khién được thiết kế dé điều khiển song song 3 động cơ kết hợp PID vị trí. Ngoài xây dựng thành công mô hình tự cân bằng 3- DOF, nhóm cũng hướng tới hạn chế những sai số cơ học trong quá trình lắp ráp, điều khiển. Nhận định được tính cấp thiết của van dé, chúng tôi mau chóng triển khai và nghiên cứu về hệ thống cân bang 3 trục.
MO DAU Hệ thống cân bằng đã xuất hiện từ cuối những năm giao thoa giữa ngành công nghiệp 3.0, lúc bấy giờ hệ thống trên đã áp dụng tích hợp vào ô tô, máy bay hay các thiết bị công trình nhà ở nhằm tăng tính 6n định và an toàn. Song chi phí áp dụng và thực hiện là rất lớn cũng như độ ôn định, tin cậy còn nhiều thiếu sót. Thiết kế hệ thống cân bằng đã sớm được kỹ sư Steward D. giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1965 với nền tang 6 — DOF (Degree of freedom) được điều khiển bang sự kết hợp của 6 động cơ dé mô phỏng buông lái máy bay.
Tuy nhiên, nền tảng này không thé chi trả được trong hau hết các ứng dụng vi chi phí của nền tảng chuyên động hầu như không phụ thuộc vào số lượng bộ truyền động. Năm 1966, dựa vào mô hình Yang et al đã đề xuất một mô hình thay thé mới cho các ứng dụng chi phí thấp. Mô hình 3-DOF, chỉ yêu cầu 3 bộ truyền động so với 6 bộ truyền động trong mô hình 6-DOF, cho thấy hiệu suất cao và giảm chi phi đáng ké. Vào năm 2018, Kittipong Yaovaja đã sử dung Steward Platform dé thực hiện cân băng bóng bằng cách sử dụng hình anh và PID dé điều khiển.
Do quá trình xử lý hình ảnh gặp phải một số trở ngại về môi trường nên độ chính xác và phản hồi không cao. Sau những năm phát triển vượt bậc về ngành công nghiệp tự động hóa, các hệ thống cân bằng dần trở nên cải thiện về độ chính xác với các kỹ thuật mới được tích hợp, các thiết bị cân bằng hai bánh được triển khai dành cho người máy cũng như hỗ trợ người khuyết tật đều đã sử dụng PID dé điều khiển động co, machine learning, xử lý ảnh. đã góp phan cải thiện độ tin cậy. Song các hệ thống cân bang trên yêu cầu các phần mềm phức tap dé triển khai, điều này không phù hợp với mục tiêu ban đầu của chúng tôi là thực hiện một hệ thống với độ tin cậy cao, đồng thời chi phí thấp.
Nắm bắt được những ưu tình thế trên, chúng em mong muốn được xây dựng một mô hình mang tính xu hướng thời đại mới, dựa trên nền tảng tự động hóa, có chi phí thấp và độ tin cậy, ứng dụng cao. Và dé tài của chúng tôi, một thiết bi cân bằng tự động 3 trục được đưa vào tầm ngắm nghiên cứu, phát triển. Đối phó với những vấn đề nêu trên. Chúng tôi đề xuất mô hình Steward Auto- Balancing với việc sử dụng bộ lọc nhiễu Kalman dé xử lý đầu ra của MPU, ứng dung Inverse Kinematics tính toán góc va PID nâng cao dé điều khiến động cơ.