ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI : THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU XE HAI BÁNH DI CHUYỂN VÀ TỰ CÂN BẰNG Giáo viên hướng dẫn : TS Lê Ngọc Bích Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Phi 21002373 Hồng Triệu Phú 21002416 Phạm Anh Quân 21002626 Phạm Trường Sơn 21002773 I TỔNG QUAN VỀ XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG Ý TƯỞNG - Xe hai bánh tự cân xuất phát từ ý tưởng thương mại hóa công ty Segway: kết hợp ý tưởng cách giữ thăng người đôi chân độ động di chuyển loại xe di chuyển bánh - Xây dựng phương tiện vận chuyển khu vực chật hẹp, dung trợ giúp di chuyển cho người già trẻ em THẾ NÀO LÀ XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG - Là loại xe có hai bánh với trục hai bánh xe trùng nhau, xe cân trọng tâm xe(bao gồm người sử dụng) cần giữ nằm giửa bánh xe NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG - Hoạt động dựa mô hình lắc ngược gắn với hệ hai bánh điều khiển với - Sơ đồ nguyên lý: ƯU - NHƯỢC ĐIỂM Ưu điểm: - Không ô nhiễm, sử dụng bình điện sạc điện Sử dụng không gian hiệu quả, đa (sử dụng nhà phố) Dễ sử dụng không gây khó khan dừng lại Tốc độ thấp nên an toàn cho người sử dụng Có thể lên xuống bậc thang Chiếm diện tích, hạn chế tắc nghẽn giao thong Giá thành tương đối thấp Kiểu dáng đặc biệt, hút người sử dụng, phá vỡ hình ảnh thường thấy loại phương tiện giao thong Nhược điểm: - Không thể thư giãn mệt phỉa đứng điều khiển Mặt sàn rung (do động gây ra) cứng làm chân mỏi - Không thể làm việc khác xe - Không đủ nhanh để đường trường - Tải trọng có giới hạn, hai người xe - Không thể leo bậc thang có chiều cao ½ bán kính bánh xe MỘT SỐ MÔ HÌNH TRÊN THẾ GIỚI Trên giới có số nước nghiên cứu cho đời loại xe hai bánh tự cân bằng, sau số thong tin chúng - Balance bot I : Sanghyuk, Hàn Quốc thực - Balance robot (Bbot) : Jack Wu Jim Bai, đại học Carnegie - JOE : phòng thí nghiệm điện tử công nghiệp Viện Công Nghệ Federal, Lausanne, Thụy Sỹ - Equibot : Dan Piponi thực - Balibot - Bender : Ted Larson, San Fransisco thực - Segway - Balancing Scooter II ĐẶT VẤN ĐỀ MỤC ĐÍCH Thiết kế, chế tạo điều khiển xe hai bánh có khả di chuyển tự cân bằng: - Cân theo phương ngang Thời gian để robot tự cân ngắn Khoảng chạy để robot tự cân ngắn Bỏ qua ma sát Input: góc thân xe so với phương ngang Output: vận tốc góc quay động Các kích thước: 𝑑𝑤 < 200 𝑚𝑚, 300 ≤ 𝑙𝑎 ≤ 500 𝑚𝑚, 𝑤𝑏 ≤ 300 𝑚𝑚 CÁC PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ a Về phương pháp cân PHƯƠNG ÁN 1: sử dụng đĩa xoay tạo momen xoắn  Nguyên lý: Ta sử dụng đĩa tròn có khối lượng m quay quanh trục song song với trục bánh xe, trục đĩa nối cứng với thân xe, đĩa quay tạo momen xoắn làm thay đổi góc nghiên thân xe  Ưu điểm: - Xe cân chổ - Không đòi hỏi động có số vòng quay lớn - Không cần đổi chiều chuyển động xe cân  Nhược điểm: - Cơ cấu phức tạp - Đòi hỏi đĩa xoay không lệch tâm PHƯƠNG ÁN 2: Sử dụng khối nặng thay đổi trọng tâm  Nguyên lý: Thay đổi trọng tâm hệ cách thay đổi góc thân xe khối nặng  Ưu điểm: - Khả cân tạo chổ  Nhược điểm: - Cơ cấu cồng kềnh - Khối nặng có quán tính nên thời gian đáp ứng hệ chậm PHƯƠNG ÁN 3: Sử dụng cấu lắc ngược  Nguyên lý: - - Khi robot đứng cân góc nghiêng 𝜃 than robot trục thẳng đứng (trục lực trọng trường) Khi robot nghiên phía trước 𝜃 > 0, điều khiển theo quán tính, hai bánh xe chạy phía sau (phía ngược lại than robot nghiêng), dẫn đến robot bị ngã Nên trường hợp điều khiển cho hai bánh xe chạy phía sau (phía mà robot nghiêng) nhằm cho góc lệch 𝜃 = 0, robot thăng trở lại Khi robot nghiêng phía sau 𝜃 < 0, điều khiển theo quán tính hai bánh xe chạy phía trước (phía ngược lại thân robot nghiêng), dẫn đến robot bị ngã Nên trường hợp điều khiển cho hai bánh xe chạy phía sau (phía mà robot nghiêng) nhằm làm cho góc lệch 𝜃 = 0, robot cân trở lại Hình2 : Các trường hợp di chuyển robot hai bánh tự cân  Ưu điểm: - Cơ cấu nhỏ gọn - Thời gian đáp ứng nhanh - Quãng đường di chuyển ngắn  Nhược điểm: - Không thể cân chổ - Trong trình cân đòi hỏi động tang tốc đổi chiều quay lien tục  Ta chọn phương án : - Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo - Thuật toán cân đơn giản b Về điều khiển PHƯƠNG ÁN 1: sử dụng điều khiển PLC  Ưu điểm: - Phần cứng gọn nhẹ, thiết kế chắn, độ ổn định cao - Khả mở rộng thông số đầu vào/ra đơn giản - Lập trình sửa đổi đơn giản - Dễ giám sát phát lỗi  Nhược điểm: - Cần tích hợp giao diện người-máy - Kiến trúc đóng kính, khó tích hợp sản phẩm - Khả xử lý yếu PHƯƠNG ÁN 2: sử dụng vi điều khiển 8051  Ưu điểm: - Tích hợp nhiều modun ngoại vi tích hợp sẵn: PWM,ADC…dễ dàng lập trình điều khiển bị nhiễu, nhớ chương trình lớn từ 512 word đến 32K word - Tốc độ xử lý cao - Giá thành rẻ so với PIC PLC - Lập trình tương đối dễ dàng  Nhược điểm: - Làm việc không ổn định PHƯƠNG ÁN 3: sử dụng vi điều khiển Ưu điểm: tương tự 8051, nhiên khả làm việc ổn định, tốc độ xử lý nhanh  Vì ưu điểm tốc độ xử lý cao, tính làm việc ổn định dễ dàng lập trình, ta sử dụng PIC để lập trình điều khiển cho hệ thống c Về động Các yêu cầu động robot hai bánh tự cân bằng: - Giá trị output vận tốc góc quay động Yêu cầu cao điều khiển tốc độ, không đòi hỏi độ xác vị trí Kích thước trung bình Giá thành thấp PHƯƠNG ÁN : động bước - kích thước nhỏ - Điều khiển vị trí xác Giá thành cao PHƯƠNG ÁN 2: động DC – Servo - Kích thước đa dạng - Điều khiển vận tốc xác - Giá thành thấp  Vì yêu cầu ta sử dụng động DC Servo để điều khiển hai bánh xe robot [...]... Các trường hợp di chuyển của robot hai bánh tự cân bằng  Ưu điểm: - Cơ cấu nhỏ gọn - Thời gian đáp ứng nhanh - Quãng đường di chuyển ngắn  Nhược điểm: - Không thể cân bằng tại chổ - Trong quá trình cân bằng đòi hỏi động cơ tang tốc và đổi chiều quay lien tục  Ta chọn phương án này vì : - Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo - Thuật toán cân bằng đơn giản b Về điều khiển PHƯƠNG ÁN 1: sử dụng bộ điều khiển PLC... nhẹ, thiết kế chắc chắn, độ ổn định cao - Khả năng mở rộng thông số đầu vào/ra đơn giản - Lập trình và sửa đổi đơn giản - Dễ giám sát và phát hiện lỗi  Nhược điểm: - Cần tích hợp giao di n người-máy - Kiến trúc đóng kính, khó tích hợp sản phẩm ngoài - Khả năng xử lý yếu PHƯƠNG ÁN 2: sử dụng vi điều khiển 8051  Ưu điểm: - Tích hợp nhiều modun ngoại vi tích hợp sẵn: PWM,ADC…dễ dàng lập trình điều. .. và PLC - Lập trình tương đối dễ dàng  Nhược điểm: - Làm việc không ổn định PHƯƠNG ÁN 3: sử dụng vi điều khiển Ưu điểm: tương tự như 8051, tuy nhiên khả năng làm việc ổn định, tốc độ xử lý nhanh hơn  Vì những ưu điểm như tốc độ xử lý cao, tính làm việc ổn định cũng như dễ dàng lập trình, do đó ta sử dụng PIC để lập trình điều khiển cho hệ thống c Về động cơ Các yêu cầu về động cơ trong robot hai bánh. .. yêu cầu về động cơ trong robot hai bánh tự cân bằng: - Giá trị output là vận tốc hoặc góc quay của động cơ Yêu cầu cao về điều khiển tốc độ, không đòi hỏi độ chính xác về vị trí Kích thước trung bình Giá thành thấp PHƯƠNG ÁN 1 : động cơ bước - kích thước nhỏ - Điều khiển vị trí chính xác Giá thành cao PHƯƠNG ÁN 2: động cơ DC – Servo - Kích thước đa dạng - Điều khiển vận tốc chính xác - Giá thành thấp... khiển vị trí chính xác Giá thành cao PHƯƠNG ÁN 2: động cơ DC – Servo - Kích thước đa dạng - Điều khiển vận tốc chính xác - Giá thành thấp  Vì những yêu cầu đó ta sử dụng động cơ DC Servo để điều khiển hai bánh xe của robot ... tiện vận chuyển khu vực chật hẹp, dung trợ giúp di chuyển cho người già trẻ em THẾ NÀO LÀ XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG - Là loại xe có hai bánh với trục hai bánh xe trùng nhau, xe cân trọng tâm xe( bao... VỀ XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG Ý TƯỞNG - Xe hai bánh tự cân xuất phát từ ý tưởng thương mại hóa công ty Segway: kết hợp ý tưởng cách giữ thăng người đôi chân độ động di chuyển loại xe di chuyển bánh. .. San Fransisco thực - Segway - Balancing Scooter II ĐẶT VẤN ĐỀ MỤC ĐÍCH Thiết kế, chế tạo điều khiển xe hai bánh có khả di chuyển tự cân bằng: - Cân theo phương ngang Thời gian để robot tự cân ngắn