Đặt vấn đề Với sự phát triển của kinh tế, những chiếc xe “4 bánh” đã dần dần quen thuộc trên mọi nẻo đƣờng với sự hiện đại và tiện nghi mà chúng đem lại. Thế nhƣng ở Việt Nam hay các nƣớc lân cận, chiếc xe máy đã gần nhƣ là biểu tƣợng ở khu vực châu Á. Không chỉ bởi xe máy nhỏ gọn, có thể dễ dàng sử dụng mà còn ở việc giá thành rẻ phù hợp với nền kinh tế của những ngƣời dân Việt Nam. Tuy nhiên vì giá quá chênh lệch so với ô tô nên xe máy cũng còn nhiều khuyết điểm, ví dụ nhƣ xe máy không thể cân bằng nhƣ ô tô khi đứng yên, bắt buộc ngƣời sử dụng phải di chuyển liên tục.
Ngoài ra chỉ cần ngoại lực không quá mạnh tác động vào thì xe máy cũng rất dễ bị ngã, từ đó gây ra nhiều hậu quả đáng tiếc. Từ đó nhóm tác giả đã mong muốn nghiên cứu sự ổn định cho xe máy, duy trì đƣợc trạng thái cân bằng cho dù có sự cố hoặc tác động nào đó xảy ra bất ngờ. Thuật toán điều khiển cân bằng luôn đƣợc các nhà khoa học kỹ thuật quan tâm vì tầm quan trọng của việc ứng dụng cân bằng trong công việc và đời sống. Các hệ thống hiện nay đòi hỏi không chỉ vận hành trơn tru mà hiệu quả đem lại phải tốt, từ đó mới đáp ứng đƣợc sự ổn định, an toàn và thoải mái cho ngƣời điều khiển.
Mục tiêu đề tài Bản chất xe máy là một đối tƣợng phi tuyến cao, vậy nên gây ra nhiều khó khăn và thách thức trong việc điều khiển làm sao cho cân bằng đƣợc chính nó. Nhóm tác giả sẽ phân tích đề tài và thiết kế mô hình xe máy có thể cân bằng bằng cách sử dụng bánh đà. Các mục tiêu cụ thể nhƣ sau: - Thiết kế đƣợc mô hình thực tế bằng 3D SolidWorks từ việc phân tích các mô hình xe máy cân bằng tiền nhiệm. - Xây dựng mô hình toán cho hệ thống.
- Xây dựng các bộ điều khiển nhƣ PID, LQR bằng việc sử dụng Matlab/ Simulink để mô phỏng và thực nghiệm điều khiển cân bằng xe (đã sửa). Giới hạn đề tài Mô hình xe máy cân bằng đƣợc thiết kế với các thông số: - Khối lƣợng xe khoảng: - Chiều dài xe là: 1 - Xe có khả năng cân bằng sau khoảng thời gian nhất định, có khả năng cân bằng trong vùng ± 8°. Phƣơng pháp nghiên cứu Sau khi đã thống nhất với nhau, nhóm tác giả đã thực hiện và áp dụng các phƣơng pháp nghiên cứu nhƣ sau: - Nghiên cứu về lý thuyết: phân tích và đánh giá và tìm hiểu sâu về bộ điều khiển PID, LQR, từ đó áp dụng vào mô hình thực tế. - Mô phỏng: Sử dụng phần mềm Matlab/ Simulink để kiểm chứng bộ điều khiển sau khi đã xây dựng đƣợc các thuật toán từ lý thuyết.
Từ kết quả các đáp ứng của mô phỏng, đánh giá và nhận xét lại về bộ điều khiển để áp dụng vào đối tƣợng thực tế. - Áp dụng vào thực nghiệm: Nhúng giải thuật điều khiển xuống Adruino và các thành phần khác để kiểm chứng tính nhất quán với bộ điều khiển lý thuyết và so sánh với mô phỏng. Từ đó tìm ra sự chính xác từ bộ điều khiển. Nội dung nghiên cứu Sơ lƣợc về nội dung của đề tài“Điều khiển xe máy tự cân bằng sử dụng giải thuật điều khiển PID và LQR” gồm 6 chƣơng: + Chƣơng 1: Tổng quan đề tài Giới thiệu khái quát về đề tài, tìm hiểu vấn đề từ đó đƣa ra các mục tiêu giới hạn và phƣơng pháp phù hợp để thực hiện đề tài.
+ Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết Tìm hiểu về các mô hình xe máy cân bằng tiền nhiệm đã đƣợc thực hiện, các phƣơng pháp, nguyên lý để cân bằng xe, từ đó xây dựng phƣơng trình toán. Lý thuyết về các bộ điều khiển PID, LQR, đo lƣờng IMU, giao tiếp I2C. + Chƣơng 3: Thiết kế hệ thống Chƣơng này tập trung vào phần thiết kế cơ khí, điện để phù hợp với mô hình thực tế mong muốn. + Chƣơng 4: Giải thuật điều khiển Từ việc nắm rõ lý thuyết về các bộ điều khiển PID, LQR ở chƣơng 2, áp dụng vào mô hình xe cân bằng về cả phƣơng diện mô phỏng và thực tế.
+ Chƣơng 5: Kết quả và nhận xét 2 Thu thập các kết quả đã đƣợc mô phỏng và thực nghiệm, từ đó nhận xét về độ chính xác của bộ điều khiển. + Chƣơng 6: Mục tiêu đạt đƣợc và phƣơng hƣớng phát triển Rút ra đƣợc những kết luận sau khi đã thực hiện đề tài, đúc kết lại kinh nghiệm để có thể có những ý tƣởng phát triển hơn trong thời gian tới. 3 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Một số mô hình xe máy cân bằng trong thực tế và các phƣơng pháp cân bằng Để xe máy tự cân bằng, ý tƣởng đƣợc đƣa ra là dùng các cảm biến đo góc lệch để so sánh giữa góc của xe đạp và phƣơng thẳng đứng, từ đó sử dụng các cơ cấu khác để đƣa nó trở lại vị trí cân bằng.
Từ đó đã có 4 ý tƣởng đƣợc đƣa ra để nghiên cứu. Loại đầu tiên là cân bằng nhờ căn chỉnh trọng tâm (mass balancer). Mặc dù moment xoắn sinh ra khá nhỏ nhƣng về việc thiết kế mô hình lại rất đơn giản.1: Mô hình xe đạp tự cân bằng mass balancer của Masaki Yamakita và Atsuo Utano [1] Loại thứ hai là cân bằng dựa trên góc lái, kiểm soát moment tác dụng lên tay lái để cân bằng (steering control). Mô hình toán khá là phức tạp, hệ thống khó có thể cân bằng lại khi bị lệch với góc nghiêng lớn nhƣng bù lại ƣu điểm là khối lƣợng nhỏ, năng lƣợng tiêu hao không đáng kể.2: Mô hình xe đạp tự cân bằng dùng điều khiển góc lái kết hợp với cân bằng khối lƣợng [2] Loại thứ ba là cân bằng dùng điều khiển moment con quay hồi chuyển (CMG - Control Moment Gyroscope).
Hƣớng trục quay của một đĩa quán tính đƣợc điều khiển bởi một hoặc nhiều khớp vạn năng. Góc nghiên sẽ đƣợc đo khi xe đạp không cân bằng, từ đó bộ điều khiển sẽ dựa vào góc nghiêng để thay thế hƣớng trục quay và moment đĩa quán tính. Một moment tiến động sẽ đƣợc tạo ra nhằm đƣa xe cân bằng trở lại. Bởi vì đĩa phải quay liên tục nên moment cũng rất lớn và năng lƣợgn tiêu thụ cũng đáng kể.3: Mô hình xe đạp tự cân bằng dùng CMG Phƣơng pháp cuối cùng là sử dụng bánh đà quán tính để cân bằng xe đạp.
Mô hình xe đạp lúc này sẽ tƣơng tự với hệ con lắc ngƣợc bánh đà quán tính. Bánh đà lúc này sẽ xoay hƣớng, tăng và giảm tốc độ, lúc này moment 5 quán tính sẽ tạo ra và gây ảnh hƣởng lên trục quay song song với khung xe. Nên khi xe bị nghiêng, ngã về một phía bắt kì, bánh đà sẽ đƣợc động cơ tác dụng moment giúp xe quay lại vị trí cân bằng.4: Murata Boy Sản phẩm Murata Boy[5] là robot đƣợc phát triển bởi công ty Murata Manufacturing, Nhật Bản với mục đích thể hiện một số công nghệ cảm biến tiên tiến của họ. Đƣợc ra mắt lần đầu tiên tại CEATEC (Triển lãm kết hợp công nghệ tiên tiến) Nhật Bản năm 2005, chú robot này ngay lập tức trở thành một nhân vật nổi tiếng, không chỉ tại Nhật Bản.
Murata Boy là robot hình ngƣời, có 2 chân, với kích thƣớc nhỏ. Do đó, nó chỉ có thể sử dụng chiếc xe đạp nhỏ đƣợc tùy chỉnh. Về cơ bản, robot đƣợc trang bị bốn loại cảm biến: cảm biến con quay hồi chuyển sử dụng để xác định vận tốc góc và độ nghiêng, cảm biến siêu âm để phát hiện chƣớng ngại vật, cảm biến va chạm phát hiện bề mặt thô. Đƣợc trang bị các kết nối không dây, robot có thể đƣợc điều khiển thông qua các thiết bị nhƣ máy tính, điện thoại thông minh, cho phép thực thi các lệnh từ xa nhƣ tiến về phía trƣớc, dừng lại, lùi về phía sau… Tốc độ tối đa robot đạt đƣợc là 30 inch/giây, cùng với khả năng cân bằng hoàn hảo, thậm chí khi dừng.5: Xe đạp ứng dụng bánh đà quán tính Tuy đây là phƣơng án tƣơng đối đơn giản về mặt mô hình, chi phí nhỏ và tác động của phản lực mặt đất đến xe đạp rất gần với việc bị loại trừ.
Nhƣng phƣơng án này không thể sinh ra đƣợc moment lớn và tiêu thụ rất nhiều năng lƣợng. Vì vậy, trong đề tài này, nhóm lựa chọn cách phân tích dùng bánh đà quán tính giúp điều khiển cân bằng cho xe đạp. Nguyên lý xe máy tự cân bằng Xe máy tự cân bằng sử dụng bánh đà điều khiển có một bánh đà gắn vào trục một động cơ, động cơ này gắn liền với thân xe để mặt đĩa tròn vuông góc với mặt phẳng chứa 2 bánh xe nhƣ Hình 2. Nhƣ vậy, ta đã có một cơ cấu chấp hành là trục bánh đà và hai đáp ứng ngõ ra của hệ là góc nghiêng xe máy so với phƣơng thẳng đứng và góc quay của bánh đà quán tính.
Khi không có tín hiệu điều khiển, xe máy sẽ ngã xuống, yêu cầu đặt ra là điều khiển tốc độ, đảo chiều bánh đà liên tục để giữ cho xe không bị ngã xuống. Để thực hiện đƣợc việc này, vấn đề đặt ra là thiết kế bộ điều khiển với tín hiệu đầu ra là điện áp điều khiển đối tƣợng. Cũng giống nhƣ các hệ phi tuyến khác nhƣ con lắc ngƣợc quay, pendubot…, hệ xe máy tự cân bằng sử dụng bánh đà điều khiển cũng là hệ phi tuyến cao, rất khó điều khiển và có cấu trúc SIMO, tức hệ có số tín hiệu vào ít hơn số tín hiệu ngõ ra cần điều khiển (một tín hiệu điều khiển ngõ vào là điện áp cấp cho động cơ hoặc moment do động cơ tạo ra, hai tín hiệu ngõ ra cần điều khiển là góc nghiêng của xe θ và góc quay của bánh đà ϕ nhƣ ở Hình 2.6: Cấu trúc mô hình xe cân bằng sử dụng bánh đà Đặc biệt, hệ này với mục tiêu chính là giữ thăng bằng cho xe (đáp ứng ngõ ra thứ nhất), nếu nhƣ có tác động từ trọng lực hay ngoại lực bất kì, nên tín hiệu điều khiển (cũng chính là đáp ứng ngõ ra thứ hai) của hệ phải biến đổi một cách liên tục nhằm giữ cho xe máy thăng bằng. Liên hệ với các hệ nhƣ hệ con ngƣợc quay, hệ bóng và thanh, hệ pendubot, cơ cấu điều khiển đƣợc đặt ở link gốc (link bậc thấp).