i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP HỌ VÀ TÊN HỌC VIÊN Đỗ Triều Dương TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Tự động hóa Mã số:…. TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Thái Nguyên, ngày 11 tháng 9 năm 2014 Công trình được hoàn thành tại Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp Thái Nguyên Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Duy Cương Phản biện 1: PGS. TS. Nguyễn Hữu Công Phản bien 2: PGS.TS. Nguyễn Như Hiển Luận văn này được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật tại Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên vào ngày 18 tháng 8 năm 2014 Có thể tìm hiểu luận văn tại : - Trung tâm Học liệu Đại Học Thái Nguyên - Thư viện Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên ii Lời nói đầu Xe hai bánh tự cân bằng là đối tượng phi tuyến, không ổn định và xen kênh rõ rệt. Do vậy, bài toán điều khiển xe hai bánh tự cân bằng là bài toán khá phức tạp. Vì vậy, áp dụng bộ điều khiển PID thích nghi trực tiếp trong bài toán điều khiển xe hai bánh sẽ hứa hẹn là một giải pháp hiệu quả góp phần nâng cao hiệu quả làm việc của xe hai bánh. Hiện nay trong nước và trên thế giới đã có một số nghiên cứu điều khiển xe hai bánh tự cân bằng. Tuy nhiên, vẫn chưa thu được các kết quả như mong muốn. Chính vì lý do trên tác giả quyết định chọn đề tài: “Thiết kế hệ thống điều khiển xe hai bánh tự cân bằng”. Luận văn chia làm 4 chương: Chương 1: Giới thiệu Chương 2: Mô hình toán của xe hai bánh tự cân bằng Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển PID thích nghi trực tiếp cho xe hai bánh tự cân bằng Chương 4: Thực nghiệm tại Phòng thí nghiệm Điện – Điện tử, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Mặc dù hết sức nỗ lực song do quỹ thời gian và kinh nghiệm khoa học còn nhiều hạn chế nên bản luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được sự đóng góp của các thầy cô và các bạn đồng nghiệp! 3 CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU 1.1 Tại sao phải thiết kế xe hai bánh tự cân bằng [1] Với những robot di động, chúng thường được chế tạo với ba bánh: hai bánh lái được lắp ráp đồng trục và một bánh đuôi nhỏ. Có nhiều loại khác nhau nhưng đây là kiểu thông dụng nhất. Còn đối với các xe 4 bánh, thường một đầu xe có hai bánh truyền động và đầu xe còn lại được gắn một hoặc hai bánh lái. Việc thiết kế ba hay bốn bánh làm cho xe/ robot di động được thăng bằng ổn định nhờ trọng lượng của nó được chia cho hai bánh lái chính và bánh đuôi, hay bất kỳ cái gì khác để đỡ trọng lượng của xe. Nếu trọng lượng được đặt nhiều vào bánh lái thì xe/ robot sẽ không ổn định dễ bị ngã, còn nếu đặt nhiều vào bánh đuôi thì hai bánh chính sẽ mất khả năng bám. Nhiều thiết kế xe/ robot có thể di chuyển tốt trên địa hình phẳng, nhưng không thể di chuyển lên xuống trên địa hình lồi lõm (mặt phẳng nghiêng). Khi di chuyển lên đồi, trọng lượng xe/robot dồn vào đuôi xe làm bánh lái mất khả năng bám và trượt ngã, đối với những bậc thang, thậm chí nó dừng hoạt động và chỉ quay tròn bánh xe. Khi di chuyển xuống đồi, sự việc còn tệ hơn, trọng tâm thay đổi về phía trước và thậm chí làm xe/robot bị lật úp khi di chuyển trên bậc thang. Hình 1.1 trạng thái xe ba bánh khi di chuyển với độ dốc 20 o . Ngược lại, các xe dạng hai bánh đồng trục lại thăng bằng rất linh động khi di chuyển trên địa hình phức tạp, mặc dù bản thân là một hệ thống không ổn định. Khi nó leo sườn dốc, nó tự động nghiêng ra trước và giữ cho trọng lượng dồn về hai bánh lái chính. Tương tự vậy, khi bước xuống dốc, nó nghiêng ra sau và giữ trọng tâm rơi vào các 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 Hình 1.1 Trạng thái xe hai bánh đồng trục khi di chuyển trên địa hình bằng phẳng, dốc [1] Đối với những địa hình lồi lõm và những ứng dụng thực tế, sự thăng bằng của xe hai bánh có thể sẽ mang lại nhiều ý nghĩa thực tiễn trong giới hạn ổn định hơn là đối với xe ba bánh truyền thống. 1.2 Nguyên lý cân bằng của xe hai bánh (two wheels self balancing) [1] Hình 1.2 Mô tả nguyên lý giữ thăng bằng [1] Đối với các xe ba hay bốn bánh, việc thăng bằng và ổn định của chúng là nhờ trọng tâm của chúng nằm trong bề mặt chân đế do các bánh xe tạo ra. Đối với các xe 2 bánh có cấu trúc như xe đạp, việc thăng bằng khi không di chuyển là hoàn toàn không thể, vì việc thăng bằng của xe dựa trên tính chất 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 xe trùng nhau, để cho xe cân bằng, trọng tâm của xe (bao gồm cả người sử dụng chúng) cần được giữ nằm ngay giữa các bánh xe. Điều này giống như ta giữ một cây gậy dựng thẳng đứng cân bằng trong lòng bàn tay. Thực ra, trọng tâm của toàn bộ xe hai bánh không được biết nằm ở vị trí nào, cũng không có cách nào tìm ra nó, và có thể không có khả năng di chuyển bánh xe đủ nhanh để giữ nó luôn ở dưới toàn bộ trọng tâm. Về mặt kỹ thuật, góc giữa sàn xe hai bánh và chiều trọng lực có thể biết được. Do vậy, thay vì tìm cách xác định trọng tâm nằm giữa các bánh xe, tay lái cần được giữ thẳng đứng, vuông góc với sàn xe (góc cân bằng khi ấy là zero). 5 Hình 1.3 Mô tả cách bắt đầu di chuyển [1] Nếu tay lái được đẩy hơi nghiêng tới trước, xe hai bánh sẽ chạy tới trước và khi nó được đẩy nghiêng ra sau, xe hai bánh 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 để giữ lấy nó. Để dừng lại, chỉ cần kéo trọng tâm xe nghiêng ngược hướng đang di chuyển thì tốc độ xe giảm xuống. Do tốc độ cảm nhận và phản ứng thăng bằng của mỗi người là khác nhau, nên xe hai bánh tự cân bằng chỉ được thiết kế cho một người sử dụng. 1.3 Ưu nhược điểm của xe hai bánh tự cân bằng [1] 1.3.1 Ưu điểm của xe hai bánh tự cân bằng 1.3.2 Nhược điểm của xe hai bánh tự cân bằng 1.4. Các khó khăn khi thiết kế bộ điều khiển cho xe hai bánh tự cân bằng. Thiết kế các bộ điều khiển thời gian thực thích ứng và phù hợp đòi hỏi mô hình toán học hệ thống có độ chính xác cao. Tuy nhiên với hệ thống như xe hai bánh có tính phi tuyến bậc cao, độ giữ thăng bằng kém, đặc biệt là hiện tượng xen kênh giữa các đầu vào và các đầu ra thì điều này là hết sức phức tạp khi muốn điều khiển xe hai bánh di chuyển nhanh, ổn định và chính xác đến các vị trí mong muốn. 1.4.1. Tính phi tuyến, khả năng giữ thăng bằng và hiện tượng xen kênh 1.4.2. Bất định mô hình [2] 1.5 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Hiện nay chưa có thông tin cụ thể nào về việc chế tạo xe hai bánh tự cân bằng ở Việt Nam. Nhưng trên thế giới, ở một vài nước, các kỹ thuật viên và một số sinh viên đã nghiên cứu và cho ra đời các dạng xe hai bánh như thế. Đồng thời để giữ ổn định cho xe, đã có nhiều nghiên cứu với các thuật toán điều khiển khác nhau được đưa ra. 1.5.1 Một số dạng xe hai bánh tự cân bằng dùng trên robot 1.6. Động lực cho việc sử dụng điều khiển PID thích nghi trực tiếp dựa trên cơ sở mô hình mẫu (Model Reference Adaptive Systems MRAS): Các hệ thống điều khiển chuyển động có thể là khá phức tạp vì nhiều yếu tố khác nhau phải được xem xét trong thiết kế. Rất khó để tìm ra các phương pháp thiết kế mà xem xét tất cả những yếu tố như: Giảm ảnh hưởng của nhiễu, các biến đổi thông số đối tượng, giữ thằng bằng, hiện tượng xen kênh Không có giải pháp duy nhất nào cho các bài toán điều khiển khác nhau. Một số phương pháp có thể hấp dẫn hơn cho các bài toán điều khiển nhất định, trong khi những phương pháp khác cũng có thể được chấp nhận. 6 Với xe hai bánh tự cân bằng, là một hệ thống MIMO không ổn định, phi tuyến và xen kênh rất mạnh, việc điều khiển gặp rất nhiều khó khăn để có thể giữ được thăng bằng cho xe, đặc biệt khi trọng tâm của xe là không xác định. Đã có nhiều bài báo nghiên cứu nhằm điều khiển hệ thống này tuy nhiên các bộ điều khiển cổ điển đều không đạt kết quả như mong muốn. Do vậy, bộ điều khiển tiên tiến đã được giới thiệu. Tiếp cận điều khiển tiên tiến được thảo luận trong luận văn này là PID thích nghi trực tiếp dựa trên cơ sở mô hình mẫu (MRAS). Bộ điều khiển được thiết kế để loại bỏ hiện tượng xen kênh, nhiễu, giữ thăng bằng cho hệ thống. Giải pháp cho phép đồng thời đạt được độ chính xác điều khiển, độ ổn định cao. 1.7. Thiết kế hệ thống điều khiển? Nhiệm vụ của tác giả? Với mục tiêu Thiết kế, Điều khiển PID thích nghi cho hệ thống xe hai bánh tự cân bằng, tác giả cần tiến hành các bước sau: 1- Thiết lập mô hình toán học cho hệ thống xe hai bánh tự cân bằng; 2 - Dựa trên mô hình toán nhận được lựa chọn cấu trúc điều khiển phù hợp đó là PID thích nghi trực tiếp dựa trên cơ sở mô hình mẫu(MRAS) đồng thời tính toán được thông số của các bộ điều khiển; 3 - Kết quả tính toán thiết kế được kiểm chứng và hiệu chỉnh thông qua mô phỏng; 4 - Triển khai thực nghiệm, hiệu chỉnh thông số trên hệ thống thực, so sánh đánh giá kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm. 1.8. Mong muốn đạt được. - Xây dựng mô hình toán của đối tượng điều khiển; - Xây dựng cấu trúc hệ thống điều khiển cũng như thông số các bộ điều khiển; - Mô phỏng hệ thống; - Thực nghiệm trên mô hình xe hai bánh thuộc phòng thí nghiệm Điện – Điện tử Trường Đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. 7 Chương II: MÔ HÌNH TOÁN HỌC Mô hình toán học [23] Động học của robot được mô tả bởi mô hình toán học nhằm giúp cho việc phát triển hệ thống điều khiển dễ dàng hơn cho robot cân bằng. Trong phần này, các phương trình chuyển động của xe hai được đưa ra chi tiết. Các ký hiệu sẽ được sử dụng trong việc xây dựng mô hình toán học Ký hiệu Đại lượng x Độ dịch chuyển (m) x & Tốc độ dịch chuyển (m/s) θ Góc nghiêng (rad) θ & Tốc độ góc (rad/s) V a Điện áp (V) k m Hằng số momen quay động cơ k e Hằng số sức phản điện động R Điện trở danh định l Khoảng cách giữa trọng tâm bánh xe và trọng tâm robot g Gia tốc trọng trường M p Khối lượng khung r Bán kính bánh xe I p Momen quán tính của khung I w Momen quán tính của bánh xe M w Khối lượng của bánh xe kết nối với hai phía của robot H L , H R , P L , P R Các lực giữa bánh xe và khung C L , C R Moomen quay từ động cơ truyền ra bánh xe H fL , H fR Các lực ma sát giữa các bánh xe và đất Xe hai bánh tự cân bằng hoạt động tương tự con lắc trên xe kéo. Động học bánh và con lắc được phân tích riêng lẻ từ ban đầu, nhưng điều này sẽ dẫn tới hai phương trình chuyển động mà mô tả hoàn toàn hoạt động của robot cân bằng Khi hoạt động của robot có thể bị ảnh hưởng bởi nhiễu cũng như momen quay từ động cơ, mô hình toán sẽ phải bao gồm các lực này. Đầu tiên, các phương trình chuyển động của các bánh xe bên phải và bên trái được xây dựng. Bởi vì các phương trình này hoàn toàn giống nhau, chỉ phương trình cho bánh xe bên phải được đưa ra. 8 Hình 2.1: Sơ đồ tự do của các bánh Sử dụng định luật 2 Newton, tổng các lực theo phương ngang x là w x fR R F Ma M x H H = = − ∑ && (2.1) Tổng các lực quanh trọng tâm của bánh xe 0 w R fR M I I C H r α θ = = − ∑ && (2.2) Từ động học động cơ một chiều, momen quay của động cơ có thể được mô tả như m R a d I dt ω τ τ = + (2.3) Thay thế các thông số từ phần vi phân động cơ một chiều. momen quay đầu ra cho các bánh là w m e m R a k k k d C I V dt R R ω θ − = = + & (2.4) Bởi vậy, phương trình (2.2) trở thành w w m e m w a fR k k k I V H r R R θ θ − = + − && & (2.5) Bởi vậy, w w m e m fR a w k k k I H V Rr Rr r θ θ − = + − & && (2.6) Phương trình (2.4) được thay vào (2.1) để có được phương trình cho các bánh xe trái và phải 9 Bánh xe bên trái w w m e m w w a L k k k I M x V H Rr Rr r θ θ − = + − − & && && (2.7) Bánh xe bên phải w w m e m w w a R k k k I M x V H Rr Rr r θ θ − = + − − & && && (2.8) Bởi vì chuyển động tuyến tính được xem xét ở trọng tâm của bánh xe, góc quay có thể được biến đổi thành chuyển động tuyến tính bằng biến đổi đơn giản w w w w x r x r x r x r θ θ θ θ = ⇒ = = ⇒ = && && && && & & & & Bằng biến đổi tuyến tính, phương trình (2.7) và (2.8) trở thành: Cho bánh xe bên trái, 2 2 m e m w w a L k k k I M x x V x H Rr Rr r − = + − − && & && (2.9) Cho bãnh xe bên phải 2 2 m e m w w a R k k k I M x x V x H Rr Rr r − = + − − && & && (2.10) Cộng phương trình (2.9) và (2.10) ta có 2 2 2 2 2( ) ( ) w m e m w a L R I k k k M x x V H H r Rr Rr − + = + − + && & (2.11) Cấu hình của robot có thể được mô hình như một con lắc ngược, hình 2.2 chỉ ra sơ đồ của cấu hình 10 [...]... thích nghi trên cơ sở MRAS để điều khiển hệ thống xe hai bánh tự cân bằng Kết quả điều khiển được kiểm chứng bằng mô phỏng trên phần mềm Matlab simulink Qua kết quả mô phỏng có các kết luận: - Hệ thống hoạt động ổn định; - Góc nghiêng nhanh chóng về bằng 0, giúp cho việc ổn định tốt cho xe hai bánh - Giữ được độ ổn định, với các nhiễu đo tác động vào hệ thống, bộ điều khiển PID thích nghi trên cơ... được với bộ điều khiển PID mà chưa thực hiện được với bộ điều khiển PID thích nghi do việc mã hóa bộ điều khiển chưa thực hiện được Khi xe đang ở vị trí cân bằng, ta tác động nhiễu tới hệ thống, lập tức hệ thống sẽ phản ứng để sau một thời gian hệ thống trở lại vị trí cân bằng Kết luận Chương IV: Trong Chương IV, tác giả đã tiến hành thực nghiệm trên xe hai bánh tự cân bằng và đạt được kết quả khá... r   r2  (2.37) (2.38) 13 Chương III THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI TRỰC TIẾP DỰA TRÊN CƠ SỞ MÔ HÌNH MẪU ĐỂ ĐIỀU KHIỂN XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG 3.1 Lý thuyết điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu MRAS 3.1.1 Lịch sử phát triển của hệ điều khiển thích nghi 3.1.2 Khái quát về hệ điều khiển thích nghi 3.1.3 Cơ chế thích nghi – thiết kế bộ điều khiển thích nghi dựa vào luật MIT: 3.2... lọc Kalman và sử dụng bộ điều khiển PID Khi có nhiễu tác động đến hệ thống, hệ thống lập tức phản ứng để đưa nhanh hệ thống về trạng thái ổn định 26 KẾT LUẬN VÀ ĐÁNH GIÁ Trong luận văn này tác giả đã nghiên cứu áp dụng bộ điều khiển thích nghi trực tiếp cho xe hai bánh tự cân bằng, kết quả mô phỏng cho kết quả đáp ứng tốt yêu cầu đề ra như xe tự cân bằng, loại bỏ được hiện tượng xen kênh Đồng thời trong... các hệ số thích nghi bộ điều khiển PID2 cho độ di chuyển Như vậy, khi sử dụng bộ điều khiển PID thích nghi cho hệ thống xe hai bánh, kết quả đầu ra góc nghiêng và độ dịch chuyển ổn định nhanh và thăng bằng tốt hơn, đồng thời khi có nhiễu trong hệ thống thì thời gian về ổn định nhanh hơn, mức độ dao động bé hơn nhiều so với sử dụng bộ PID thường Kết luận Chương 3 Tác giả đã xây dựng được bộ điều khiển. .. IV: THỰC NGHIỆM 4.1 Giới thiệu hệ thống xe hai bánh tự cân bằng Arduino Mạch logic Mạch công suất Nguồn Động cơ Hình 4.1: Mô hình thực nghiệm Trên mô hình thực nghiệm ở trên, hệ thống sử dụng hai động cơ để truyền động cho hai bánh xe trái và phải, và hai động cơ này được cung cấp điện áp qua mạch công suất Giá trị điện áp đầu ra của mạch công suất này được điều khiển thông qua PWM xuất ra từ Arduino... g = 9.81 [m/s2] 3.3.1: Tính toán thông số cho bộ điều khiển PID Áp dụng phương pháp thực nghiệm Ziegler – Nichols, tác giả chọn được hai bộ thông số cho hai bộ PID1 và PID2 Bộ điều khiển PD để điều khiển góc cân bằng: Kp1 = 2; Ki1 = 0; Kd1 = 1 Bộ điều khiển PID để điều khiển vị trí Kp2 = 2; Ki2 = 0.5; Kd2 = 5 15 3.3.2: Tính toán thông số cho bộ điều khiển PID thích nghi Ta có hệ phương trình mô... x = 0.18 3.4 Mô phỏng hệ thống Sau khi thiết kế được mô hình mô phỏng và tính toán các thông số cho các bộ điều khiển PID thường và PID thích ngi Tác giả thực hiện mô phỏng cho 2 trường hợp với bộ PID thường và PID thích nghi Hình 3.12: Cấu trúc mô phỏng với bộ PID thường cho hệ thống xe hai bánh Kết quả mô phỏng với bộ PID thường cho hệ thống xe hai bánh: 18 Hình 3.13: Kết quả mô phỏng với PID... sử dụng bộ điều khiển PID thích nghi Cấu trúc mô phỏng xe hai bánh tự cân bằng với bộ PID thích nghi: 19 Hình 3.15: Cấu trúc mô phỏng với bộ điều khiển PID thích nghi Hình 3.16: Kết quả mô phỏng với bộ điều khiển PID thích nghi khi không có nhiễu 20 Hình 3.17: Kết quả mô phỏng với bộ điều khiển PID thích nghi khi có nhiễu Hình 3.18: Kết quả các hệ số thích nghi bộ điều khiển PID1... Kết quả này so sánh với khi dùng bộ PID thường là tốt hơn, giữ ổn định và thăng bằng cho xe tốt hơn - Từ kết quả mô phỏng nhận thấy ưu điểm của hệ điều khiển thích nghi trực tiếp là: khi thông số của đối tượng thay đổi, bộ điều khiển tự động hiệu chỉnh các thông số Kp, Ki, Kd và sau một khoảng thời gian xác định, xe hai bánh nhanh chóng tiến tới ổn định 22 CHƯƠNG IV: THỰC NGHIỆM 4.1 Giới thiệu hệ . của xe hai bánh tự cân bằng [1] 1.3.1 Ưu điểm của xe hai bánh tự cân bằng 1.3.2 Nhược điểm của xe hai bánh tự cân bằng 1.4. Các khó khăn khi thiết kế bộ điều khiển cho xe hai bánh tự cân bằng. . 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 xe trùng nhau, để cho xe cân bằng, trọng tâm của xe (bao gồm cả. khiển xe hai bánh tự cân bằng. Tuy nhiên, vẫn chưa thu được các kết quả như mong muốn. Chính vì lý do trên tác giả quyết định chọn đề tài: Thiết kế hệ thống điều khiển xe hai bánh tự cân bằng . Luận