1 Chương 1 GIỚI THIỆU 1.1 Giới thiệu Cùng với phát triển của khoa học kỹ thuật, ngày nay robot có khả năng thay thế con người làm việc trong những môi trường độc hại, trong sản xuất hoặc bắt chước con người về hình thức, hành vi và cả suy nghĩ Hiện nay lĩnh vực robot đang phát triển nhanh nhờ vào sự phát triển liên tục của công nghệ, robot đã và đang được chế tạo để phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau. Với ý tưởng sử dụng robot thay thế con người thì “Robot hai bánh tự cân bằng” cũng là đề tài hiện đang được nhiều tác giả quan tâm vì mô hình robot này có khả năng di chuyển nhanh, linh hoạt nhưng lại không chiếm nhiều không gian [1], [3]. 1.2 Mục tiêu của đề tài Mục tiêu của đề tài là xây dựng mô hình robot hai bánh thực tế có khả năng tự cân bằng có cấu trúc đơn giản phục vụ cho việc nghiên cứu, giảng dạy tại phòng thí nghiệm, mô hình sản phẩm trưng bày hay những trò chơi với mục đích giải trí. 1.3 Phương pháp nghiên cứu Đề tài được tiếp cận dựa trên các phương pháp sau:  Phương pháp khảo sát tài liệu, tìm hiểu các tài liệu liên quan đến đến đề tài như: cấu trúc robot hai bánh tự cân bằng, cảm biến IMU, mạch điều khiển động cơ.  Phương pháp khảo sát các thuật toán lọc nhiễu cho cảm biến IMU như: bộ lọc Kalman, bộ lọc Complementary và thuật toán điều khiển PID.  Phương pháp thực nghiệm tiến hành xây dựng các thuật toán trên mô hình robot hai bánh thực tế. 1.4 Giới hạn của đề tài Đề tài tập trung vào việc xây dựng mô hình phần cứng robot như: kết cấu cơ khí, mạch điều khiển động cơ, các thuật toán trên vi điều khiển như bộ lọc Kalman 2 giải thuật cân bằng PID. Robot chỉ có thể cân bằng tại một vị trí chưa có khả năng vừa di chuyển vừa cân bằng. 1.5 Tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới 1.5.1 Trong nước Mô hình robot hai bánh tự cân bằng luận văn thạc sĩ của tác giả Nguyễn Gia Minh Thảo, trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh. Hình 1.1 Mô hình robot hai bánh cân bằng 1.5.2 Nước ngoài Một số kỹ thuật viên và sinh viên ngành Cơ điện tử, Tự động hóa đã nghiên cứu cho ra đời nhiều dạng robot hai bánh cân bằng. Sau đây là một số thông tin về các mô hình robot hai bánh tự cân bằng. 1.5.2.1 nBot nBot do ông Anderson sáng chế. nBot lấy ý tưởng cân bằng là các bánh xe sẽ phải chạy theo hướng mà phần trên robot sắp ngã. Nếu bánh xe có thể di chuyển để trọng tâm robot luôn rơi vào chính giữa thì robot sẽ giữ được cân bằng. 3 Hình 1.2 Robot hai bánh cân bằng nBot 1.5.2.2 EquipoiseBot EquipoiseBot sử dụng hai cảm biến là cảm biến gia tốc và cảm biến con quay hồi chuyển. Góc nghiêng của robot được tính toán từ hai giá trị khác nhau. Một từ cảm biến gia tốc bằng cách sử dụng thuật toán Tangens-Funktion và một từ cảm biến con quay hồi chuyển sử dụng phương pháp tích phân. Hai giá trị này được kết hợp trong một bộ lọc để cho ra một giá trị mới và được sử dụng cho đầu vào bộ PID để điều khiển các động cơ, giữ cho robot cân bằng. Hình 1.3 Robot hai bánh cân bằng EquipoiseBot 4 1.5.2.3 WobblyBot WobblyBot thực chất là mô hình sử dụng con lắc ngược, được gắn dưới phần thân ở giữa hai bánh xe. WobblyBot được thiết kế với phần dưới của robot nặng hơn nhiều so với phần trên giúp robot có khả giữ cân bằng tốt nhất. Hình 1.4 Robot hai bánh cân bằng WobblyBot 1.5.2.4 tiltOne tiltOne là một robot hai bánh cân bằng với chiều cao 90 cm và có khả năng chở tải trọng lên tới 50 kg. Nguyên lý hoạt động cũng giống như các robot hai bánh có kích thước nhỏ hơn, sử dụng hai cảm biến là cảm biến gia tốc và cảm biến con quay hồi chuyển và thuật toán PID để điều khiển robot cân bằng. Hình 1.5 Robot hai bánh cân bằng tiltOne 5 1.5.2.5 Robot kiểu rolling của hãng TOYOTA Đây là robot có công dụng phục vụ con người do hãng TOYOTA thiết kế. Mẫu robot này có khả năng di chuyển nhanh và ít chiếm không gian. Đồng thời đôi tay của robot có thể làm nhiều công việc khác nhau, chủ yếu được sử dụng với mục đích giải trí. Hình 1.6 Robot hai bánh của hãng TOYOTA 1.6 Nội dung đề tài Nội dung phần còn lại của đề tài gồm các chương như sau:  Chương 2: THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG Nội dung chương 2 trình bày sơ đồ khối hệ thống, xây dựng mô hình robot hai bánh thực tế, thiết kế hệ thống điện và các thành phần tham gia điều khiển robot như: bo Arduino Due, mạch điều khiển động cơ, cảm biến IMU GY-86, động cơ Planet và Pin LI-PO. Phần cuối chương giới thiệu các phương thức giao tiếp sử dụng trên mô hình như: điều chế độ rộng xung PWM, giao thức I 2 C, giao tiếp UART và thu thập dữ liệu để vẽ dạng sóng ngõ ra trên phần mềm Labview.  Chương 3: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG Phần đầu chương 3 giới thiệu về nguyên lý điều khiển cân bằng của robot, giới thiệu tổng quan về bộ lọc Kalman, cơ sở, bản chất, giải thuật của bộ lọc Kalman rời rạc. Giải thuật điều khiển PID được sử dụng để đáp ứng ngõ ra nhanh, chính xác 6 trong việc cân bằng robot và cuối cùng là giải thuật điều khiển robot cân bằng bám theo vị trí ban đầu.  Chương 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Chương 4 trình bày kết quả thực nghiệm về độ chính xác khi sử dụng bộ lọc Complementary, bộ lọc Kalman so với dữ liệu thô từ cảm biến, xây dựng giải thuật điều khiển PID trên mô hình thực tế.  Chương 5: KẾT LUẬN Nội dung chương 5 trình bày tóm tắt các kết quả mà đề tài đã đạt được và hướng phát triển để khắc phục những giới hạn nhằm hoàn thiện đề tài tốt hơn. 7 Chương 2 THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG 2.1 Sơ đồ khối của hệ thống Cảm biến IMU GY-86 Arduino Due AT91SAM3X8E Mạch điều khiển động cơ cầu H Nguồn cung cấp I C 2 PWM Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống 2.2 Tính toán và thiết kế cho mô hình hệ thống Giả sử góc nghiêng mà robot có thể giữ cân bằng được giới hạn trong khoảng ±20 0 so với góc tại vị trí cân bằng lý tưởng 90 0 theo trục y. 50 cm a) Robot ở trạng thái cân bằng 50 cm 20 0 70 0 A B C α AB = ? b) Trạng thái robot đang ở góc nghiêng 20 so với góc tại vị trí cân bằng 0 Hình 2.2 Quãng đường robot cần di chuyển để thực hiện cân bằng khi nghiêng một góc 20 0 so với góc tại vị trí cân bằng 8 Như mô tả trong Hình 2.2 để robot có thể giữ được cân bằng khi ngã thì robot phải di chuyển một đoạn đường là  trong khoảng thời gian  cho phép để có thể hứng được trọng tâm của robot, các giá trị này được tính toán như sau:          (2.1) 50 cm a) Robot ở trạng thái cân bằng 50 cm 20 0 70 0 A B C α 17.1 cm t = ? b) Trạng thái robot đang ở góc nghiêng 20 so với góc tại vị trí cân bằng 0 Hình 2.3 Mô tả thời gian robot ngã từ trạng thái cân bằng đến một góc nghiêng 20 0 Thời gian ngã của robot từ vị trí cân bằng đến góc nghiêng giới hạn được xác định bằng phương pháp thực nghiệm trên mô hình thực tế. Giá trị góc nghiêng được thu thập theo thời gian và được truyền về máy tính như trong Bảng 2.1. Bảng 2.1 Bảng thu thập thời gian robot ngã do lực hút của Trái Đất Thời gian (ms) Góc nghiêng theo trục y (độ) Lần 1 Lần 2 Lần 3 Lần 4 0 88.42 0 88.01 0 88.27 0 88.45 0 50 88.32 0 88.05 0 88.23 0 88.41 0 100 88.01 0 87.77 0 87.89 0 88.12 0 150 88.80 0 88.68 0 88.67 0 88.97 0 200 88.51 0 88.41 0 88.37 0 88.67 0 9 250 87.71 0 87.30 0 88.07 0 88.41 0 300 87.69 0 87.45 0 87.17 0 88.10 0 350 87.38 0 87.18 0 86.85 0 87.83 0 400 86.15 0 86.01 0 85.98 0 86.01 0 450 85.74 0 85.40 0 86.17 0 86.35 0 500 85.27 0 85.13 0 85.57 0 85.91 0 550 84.08 0 84.49 0 85.21 0 84.63 0 600 83.30 0 83.92 0 84.56 0 84.76 0 650 83.59 0 82.47 0 83.32 0 83.78 0 700 82.13 0 82.14 0 82.53 0 82.66 0 750 80.12 0 80.71 0 80.40 0 81.61 0 800 78.12 0 79.01 0 77.44 0 79.48 0 850 74.64 0 76.19 0 74.64 0 76.45 0 900 70.86 0 70.52 0 70.79 0 73.06 0 950 66.32 0 64.82 0 66.54 0 70.19 0 Dữ liệu thu thập được trong Bảng 2.1 cho thấy khi thả robot ngã tự do từ vị trí cân bằng là 88 0 (đây là góc nghiêng tại vị trí cân bằng thu được từ cảm biến trên mô hình thực tế, góc này sai lệch so với góc nghiêng lý tưởng do giới hạn về cơ khí của mô hình) đến góc nghiêng giới hạn 88 ± 20 0 trong khoảng thời gian trung bình là 950 ms, đây cũng là giá trị thời gian giới hạn cần thiết để robot di chuyển để giữ được cân bằng. Giả sử chọn bánh xe có bán kính là 5cm và moment xoắn của động cơ là 63 Ncm thì lực đẩy sẽ được tính theo công thức sau:          (2.2) Suy ra vận tốc cần thiết của động cơ:            (2.3) Công suất động cơ được tính theo công thức:        (2.4) 10 Dựa vào các giá trịnh tính toán, thông số của động cơ được chọn như trong Bảng 2.2 để đáp ứng các yêu cầu trên. Bảng 2.2 Chọn động cơ với các thông số Động cơ DC planet Công suất 60W Moment xoắn 63 N.cm Tốc độ chưa qua bộ giảm tốc 9000 vòng/phút Tốc độ khi đã qua bộ giảm tốc 468 vòng/phút 2.3 Mô hình robot hai bánh thực tế Đề tài sử dụng bo mạch Arduino Due AT91SAM3X8E đóng vai trò như “bộ não” của robot, điều khiển cho robot giữ cân bằng. Khung robot được chế tạo từ inox với hai động cơ DC được đặt đồng trục, cho phép robot có thể di chuyển được theo hai hướng trước và sau. Hai động cơ được điểu khiển bởi hai mạch cầu H sử dụng IC IR2184 để điều khiển kích FET, cảm biến IMU GY-86 được sử dụng để xác định góc nghiêng của robot. Hai động cơ DC 24V, 60W tốc độ 468 vòng/phút, encoder 500 xung/vòng. Hai bánh xe được bọc cao su có nhiều rãnh để tăng độ bám cao giúp robot cân bằng tốt hơn. Cảm biến IMU GY-86 Mạch điều khiển động cơ cầu H Bo Arduino Due AT91SAM3X8E Nút nhấn điều khiển Pin Li-PO 550 mm 450 mm Động cơ DC Hình 2.4 Mô hình robot hai bánh tự cân bằng [...]... trình cân bằng của robot hai bánh Khi robot đứng thẳng tại vị trí cân bằng robot sẽ bị lực tác động làm cho robot ngã về phía trước hoặc phía sau như Hình 3.1 Nếu robot bị đổ về phía trước như Hình 3.1(a) thông qua cảm biến IMU robot sẽ xác định được góc nghiêng và điều khiển hai bánh xe di chuyển về phía trước theo hướng mà robot bị nghiêng Hay khi robot bị đổ về phía sau như Hình 3.1(c) thì robot sẽ... (barometer) Mô đun này được sử dụng nhiều trong việc điều khiển các thiết bị vận hành tự động cần định hướng như: robot tự hành, UAVs (thiết bị bay không người lái), robot và xe hai bánh tự cân bằng hoặc các hệ thống cân bằng khác… Các cảm biến trên mô đun hỗ trợ giao tiếp I2C với tốc độ lên tới 400kb/s và hoạt động ở mức áp 3.3V Mô đun được thiết kế tích hợp sẵn IC chuyển áp tín hiệu và IC ổn áp LDO 3.3V,... ban đầu (c) Robot bị trôi qua bên phải Hình 3.6 Robot cân bằng bám theo vị trí ban đầu Dựa vào giá trị góc nghiêng thu được từ cảm biến qua bộ lọc Kalman giải thuật PID sẽ giữ cho robot cân bằng nhưng do lực hấp dẫn của trái đất hay lực tác động từ bên ngoài làm cho robot bị ngã về một hướng nào đó Để giữ cân bằng thì robot sẽ di chuyển ra khỏi vị trí ban đầu Để có thể điều khiển robot cân bằng dao động... toán 36 Bắt đầu Điều khiển robot di chuyển về vị trí ban đầu Lấy dữ liệu góc nghiêng trên robot từ cảm biến Sai Giá trị sai lệch vị trí = 0 ? Đúng Tính toán sai lệch vị trí hiện tại so với vị trí ban đầu Tính toán sai số giữa góc nghiêng khi robot cân bằng và góc nghiêng hiện tại trên robot Điều khiển chiều quay và tốc độ động cơ để robot cân bằng Hình 3.7 Sơ đồ thuật giải robot bám theo vị trí ban... các thiết bị USB tích hợp và gửi dữ liệu đến máy tính thông qua cổng USB Dữ liệu sau đó được hiển thị trong "Serial monitor" được hỗ trợ bởi phần mềm Arduino và dữ liệu này được sử dụng để vẽ dạng sóng ngõ ra của cảm biến trên phần mềm Labview 21 Chương 3 XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG 3.1 Nguyên lý điều khiển cân bằng (a) Nghiêng trước (b) Cân bằng (c) Nghiêng sau Hình 3.1 Mô tả quá trình cân. .. bộ, điều khiển cho phép kết thúc quá trình truyền Nếu thiết bị chủ muốn truyền thông với thiết bị khác sẽ gửi kèm thông tin địa chỉ của thiết bị muốn truyền trong dữ liệu truyền Thiết bị tớ đều được gán và định địa chỉ thông qua đó thiết bị chủ có thể thiết lập truyền thông và trao đổi dữ liệu Bus dữ liệu được thiết kế để cho phép thực hiện nhiều thiết bị chủ và tớ ở trên cùng bus  Quá trình truyền... xe di chuyển về phía trước theo hướng mà robot bị nghiêng Hay khi robot bị đổ về phía sau như Hình 3.1(c) thì robot sẽ điều khiển hai bánh xe di chuyển về phía sau theo hướng robot bị nghiêng cho đến khi góc nghiêng của robot bằng với góc mà tại đó robot đứng thẳng thì robot sẽ dừng lại [4] 3.2 Bộ lọc Kalman 3.2.1 Giới thiệu Bộ lọc Kalman về cơ bản là một thuật toán xử lý dữ liệu truy hồi được sử dụng... ra bởi thiết bị chủ, sau đó sẽ truyền đi dữ liệu 7 bit chứa địa chỉ của thiết bị tớ mà thiết bị chủ muốn truyền thông, theo thứ tự là các bit có trọng số lớn nhất MSB sẽ được truyền trước Bit thứ tám tiếp theo sẽ chứa thông tin để xác định thiết bị tớ sẽ thực hiện vai trò nhận (0) hay gửi (1) dữ liệu Tiếp theo sẽ là một bit ACK xác nhận bởi thiết bị nhận đã nhận được 1 byte trước đó hay không Thiết. .. gán bằng 0 và độ lợi P được tăng cho đến khi P tiến tới độ lợi tới hạn Ku ở đầu ra của vòng điều khiển bắt đầu dao động Ku và thời gian dao động Pu được dùng để gán độ lợi như sau: 35 Bảng 3.2 Phương pháp Ziegler–Nichols Dạng điều khiển KP KI P 0.50Ku PI KD 0.45Ku 1.2 KP/Pu PID 0.60Ku 2 KP/Pu KP.Pu/8 3.6 Giải thuật điều khiển robot cân bằng bám theo vị trí ban đầu (a) Robot bị trôi qua bên trái (b) Robot. .. gồm hai đường là đường truyền dữ liệu nối tiếp SDA và đường truyền nhịp xung đồng hồ nối tiếp SCL Vì cơ chế hoạt động là đồng bộ nên cần có một nhịp xung tín hiệu đồng bộ Các thiết bị hỗ trợ I2C đều có một địa chỉ định nghĩa trước, trong đó một số bit địa chỉ thấp có thể cấu hình Thiết bị khởi tạo quá trình truyền thông là thiết bị chủ và cũng là thiết bị tạo xung nhịp đồng bộ, điều khiển cho phép kết . sinh viên ngành Cơ điện tử, Tự động hóa đã nghiên cứu cho ra đời nhiều dạng robot hai bánh cân bằng. Sau đây là một số thông tin về các mô hình robot hai bánh tự cân bằng. 1.5.2.1 nBot nBot. khiển robot cân bằng. Hình 1.5 Robot hai bánh cân bằng tiltOne 5 1.5.2.5 Robot kiểu rolling của hãng TOYOTA Đây là robot có công dụng phục vụ con người do hãng TOYOTA thiết kế. Mẫu robot. việc điều khiển các thiết bị vận hành tự động cần định hướng như: robot tự hành, UAVs (thiết bị bay không người lái), robot và xe hai bánh tự cân bằng hoặc các hệ thống cân bằng khác… Các cảm