ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ -o0o - ĐỒ ÁN : THIẾT KẾ XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG GVHD: PGS.TS Huỳnh Thái Hồng Nhóm: Huỳnh Trung Tín MSSV: 1613563 Đặng Phúc Bảo MSSV: 1610157 Tp Hồ Chí Minh, Tháng 06/2019 CHƯƠNG GIỚI THIỆU .1 1.1 Giới thiệu 1.2 Thế xe hai bánh tự cân (two wheels self balancing) 1.3 Mục tiêu đề tài 1.4 Đối tượng nghiên cứu .4 1.5 Phạm vi nghiên cứu CHƯƠNG XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN Các giải thuật xử lí tín hiệu từ cảm biến 2.1.1 Lọc bổ phụ thông tần (complementary filter) 2.1.2 Lọc Kalman 2.1.2.1 Lý thuyết lọc Kalman 2.1.2.2 Quy trình ước lượng 2.1.2.3 Bản chất toán học lọc 2.1.2.4 Bản chất xác suất lọc 2.1.2.5 Giải thuật lọc Kalman rời rạc 2.1.2.6 Bộ lọc Kalman rời rạc đơn giản dùng cho phạm vi đồ án 2.1.3 So sánh lọc bổ phụ lọc Kalman rời rạc 2.1 2.2 Các giải thuật điều khiển đại 2.2.1 Phương pháp điều khiển PID 2.2.2 Thiết kế điều khiển PID Cascade 2.2.2.1 Quy trình thiết kế điều khiển PID nối tiếp 2.2.2.2 Phương pháp điều chỉnh thủ công PID 2.3 Mô hinh lý thuyết động DC CHƯƠNG THỰC HIỆN 3.1 Sơ đồ khối hệ thống 3.2 Thiết kế khí 3.2.1 Tóm tắt thiết kế 3.2.2 Thiết kế mô hình Mạch điện tử 3.3.1 Nguồn điện 3.3.2 Mạch công suất điều khiển động 3.3.3 Động DC Servo Giảm tốc GA37 3.3.4 Vi điều khiển stm32f4 3.3 3.3.5 Gia tốc kế MPU-6050 GY-521 3.4 Các phương thức giao tiếp .5 3.4.1 Điều chế độ rộng xung PWM 3.4.2 Giao thức I2C 3.4.3 Giao tiếp UART CHƯƠNG KẾT LUẬN 4.1 Những kết đạt 4.2 Hướng phát triển Chương GIỚI THIỆU 1.1 Giới thiệu Cùng với phát triển khoa học kỹ thuật, ngày robot có khả thay người làm việc môi trường độc hại, sản xuất bắt chước người hình thức, hành vi suy nghĩ Hiện lĩnh vực robot phát triển nhanh nhờ vào phát triển liên tục công nghệ, robot chế tạo để phục vụ cho nhiều mục đích khác Với ý tưởng sử dụng robot thay người “Robot hai bánh tự cân bằng” đề tài nhiều tác giả quan tâm mơ hình robot có khả di chuyển nhanh, linh hoạt lại không chiếm nhiều không gian 1.2 Thế xe hai bánh tự cân (two wheel self balancing) Đối với xe ba hay bốn bánh, việc thăng giữ ổn định chúng nhờ trọng tâm chúng nằm bề mặt chân đế bánh xe tạo Đối với xe hai bánh có cấu trúc xe đạp, việc thăng di chuyển / đứng yên điều hoàn tồn khơng thể, ngun lý thăng dựa tính chất quay hồi chuyển hai bánh xe quay Còn xe hai bánh tự cân bằng, loại xe có hai bánh với trục hai bánh xe trùng nhau, để xe cân bằng, trọng tâm xe (bao gồm người sử dụng) cần giữ nằm bánh xe Giống ta giữ gậy thẳng đứng cân lòng bàn tay 1.3 Mục tiêu đề tài Mục tiêu đề tài xây dựng mô hình robot hai bánh thực tế có khả tự cân với cấu trúc đơn giản phục vụ cho việc nghiên cứu, giáo dục, giảng dạy phòng thí nghiệm, mơ hình sản phẩm trưng bày hay trò chơi với mục đích biểu diễn 1.4 Đối tượng nghiên cứu  Xây dựng phần cứng robot Thiết kế phần cứng, làm mạch điều khiển, mạch nguồn,  Tìm hiểu giải thuật lọc kalman, lọc bổ phụ để xử lý liệu thu thập  Tìm hiểu giải thuật để điều khiển cho robot bánh tự cân Sử dụng điều khiẻn PID gồm vòng điều khiển, vòng ngồi điều khiển góc, phần điều khiển tốc độ động  Sử dụng vi điều khiển stm32f4  Cảm biến gia tốc MPU6050 1.5 Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu đề tài dùng giải thuật điều khiển quan trọng Có nhiều giải thuật điều khiển đề cập tới đối tượng phi tuyến khác Các giải thuật điều khiển dùng điều khiển tuyến tính, điều khiển phi tuyến điều khiển thông minh… Đa số điều khiển thực tế đề điều khiển tuyến tính (PID, LQR) cho đáp ứng tốt Một số điều khiển tuyến tính đòi hỏi phương trinh toán học (LQR, đặt cực.), số điều khiển tuyến tính khơng u cầu (PID) Như vậy, đối tượng điều khiển phi tuyến hệ xe hai bánh tự cân giải thuật điều khiển tuyến tính có đáp ứng tốt không? Đáp ứng tốt mức độ nào? Đó câu hỏi mà luận văn muốn hướng đến giải vấn đề thắc mắc Trong phạm vi đề tài này, chúng em thiết kế để xe tự đứng cân Mục tiêu thực giải thuật điều khiển PID đối tượng xe hai bánh cân bằng, có kết thực tế kiểm chứng Chương XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN 2.1 Các giải thuật xử lí tín hiệu từ cảm biến Như biết, giá trị ngõ quan tâm hang đầu xe scooter hai bánh góc tay lái thẳng đứng hoăc sàn xe với chiều trọng lực Nhiều loại cảm biến dùng đo góc encoder, resolver, inclinometer,… với trọng lực theo phương pháp không tiếp xúc với sàn cảm biến đo vận tốc góc cảm biến gia tốc ứng dụng để đo góc tĩnh (cảm biến đo khoảng cách tới mặt đất hồng ngoại dùng với sàn đất phẳng, nằm ngang láng) Để làm trơn nhiễu kết hợp tín hiệu từ hai camr biến accelerometer gyro, người ta thường dùng lọc trung bình, lọc bổ phụ thơng tần complementary, lọc thích nghi – lọc Kalman lọc khác 2.1.1 Lọc bổ phụ thông tần (complementary filter) Bộ lọc bổ phụ sử dụng trường hợp có hai nguồn giá trị khác việc ước lượng giá trị, đặc tính nhiễu hai giá trị chẳng hạn nguồn mang lại thông tin vùng tần số thấp nguồn khác vùng tần số cao Bộ lọc bổ phụ kết hợp ngõ độ nghiêng vận tốc gyro nhằm thu khả ước lượng tốt định hướng, để đền bù cho trôi giá trị gyro (drift) cho đáp ứng chậm cảm biến đo nghiêng Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động lọc bổ phụ mơ hình lắc ngược  Ước lượng góc thu nhận tổng tín hiệu từ hai nhánh giá trị biểu diễn hình 3.6 Góc nghiêng cảm biến đo nghiêng đưa vào lọc Gi(s) phân bổ giá trị góc nghiêng để ước lượng vùng tần số thấp Vận tốc góc gyro cung cấp vào lọc Gg(s) Bộ lọc thiết kế để ngõ phân bổ đến ước lượng vùng tần số cao Yêu cầu lọc tính sau:  Tồn hệ thống có khuếch đại số phase tổn thất nhỏ vùng tần số cắt cảm biến nghiêng  Để giữ độ nhạy offset gyro nhỏ nhất, cảm biến nghiêng nên dùng vùng băng thơng tần số rộng  Số lượng tham số thiết kế nên nhỏ để dễ cho điều chỉnh áp dụng lọc thực tế vi điều khiển 2.1.2 Lọc Kalman 2.1.2.1 Lý thuyết lọc Kalman Được đề xuất từ năm 1960 giáo sư Kalman để thu thập kết hợp linh động thông tin từ cảm biến thành phần Một phương trình định hướng mẫu thống kê nhiễu cảm biến biết xác định, lọc Kalman cho ước lượng giá trị tối ưu (chính xác loại sai số, nhiễu) sử dụng tín hiệu ‘tinh khiết’ có độ phân bổ khơng đổi Trong hệ thống này, tín hiệu cảm biến vào lọc gồm hai tín hiệu: từ cảm biến góc (inclinometer) cảm biến vận tốc góc (gyro) Tín hiệu ngõ lọc tín hiệu inclinometer gyro loại nhiễu nhờ hai nguồn tín hiệu hỗ trợ xử lý lẫn lọc, thơng qua quan hệ (vận tốc góc = đạo hàm/vi phân giá trị góc)  Một ví dụ mô lọc Kalman cho máy bay chiến đấu MatLAB : Hình 2.2 Tín hiệu thu nhận chưa lọc Hình 2.3 Tín hiệu qua lọc Kalman Bộ lọc Kalman đơn giản thuật toán xử lý liệu hồi quy tối ưu Có nhiều cách xác định tối ưu, phụ thuộc tiêu chuẩn lựa chọn trình thơng số đánh giá Nó cho thấy lọc Kalman tối ưu chi tiết cụ thể tiêu chuẩn có nghĩa Một khía cạnh tối ưu lọc Kalman hợp tất thông tin cung cấp tới Nó xử lý tất giá trị sẵn có, ngoại trừ độ sai số, ước lượng giá trị thời giá trị quan tâm, với cách sử dụng hiểu biết động học thiết bị giá trị hệ thống, mô tả số liệu thống kê hệ thống nhiễu, gồm nhiễu ồn, nhiễu đo khơng chắn mơ hình động học, thông tin điều kiện ban đầu giá trị quan tâm 2.1.2.2 Quy trình ước lượng Kalman filter định vị vấn đề chung nhằm ước lượng giá trị x thuộc R n tiến trình kiểm soát thời gian gián đoạn biểu diễn phương trình tuyến stochastic khác nhau: [2-1] Với giá trị z thuộc Rm [2-2] Giá trị thay đổi ngẫu nhiên wk vk trình bày cách xử lý đo độ nhiễu (theo thứ tự) Chúng tách biệt nhau, nhiễu trắng, với xếp chất thông thường: [2-3] [2-4] Trong thực tiễn, ma trận tương quan tiến trình nhiễu Q tương quan đo độ nhiễu R có lẽ thay đổi với bước thời gian hay giá trị, nhiên giả thuyết chúng số Ma trận Anxn phương trình [2-1] liên hệ với giá trị thời điểm trước k-1 đến giá trị thời điểm k, thiếu hụt không hàm lái dạng mà nhiễu tiến trình Chú ý thực tế A có lẽ thay đổi thời điểm, đây, ta xem số Ma trận B nx1 liên quan hoạt động kiểm soát tùy ý u thuộc R l x Ma trận Hmxn liên quan với giá trị đo zk Trong thực tế, H thay đổi thời điểm hay giá trị, ta xem số 2.1.2.3 Bản chất toán học lọc Theo định nghĩa xˆk  n (siêu âm) ước lượng trạng thái priori bước k đưa tiến trình priori bước k, xˆk  n ước lượng trạng thái posteriori bước k với giá trị z k Từ xác định sai số ước lượng priori posteriori là: [2-5] Tương quan sai số ước lượng priori là: [2-6] tương quan sai số ước lượng posteriori là: [2-7] Bắt nguồn từ việc lấy đạo hàm phương trình lọc Kalman, với mục tiêu tìm phương trình ước lượng trạng thái posteriori xˆk liên kết tuyến tính ước lượng priori xˆk khác biệt đánh giá giá trị thực zk giá trị chuẩn tắc H xˆk trình bày cơng thức [2-8] [2-8] Độ lệch (zk – H xˆ k ) gọi đại lượng cách tân hay giá trị thặng dư Giá trị thặng dư phản ánh khác giá trị chuẩn tắc H xˆ k giá trị thực zk Giá trị thặng dư A nghĩa hai thành phần hoàn toàn quán Ma trận K nxm công thức chọn độ lợi hay hệ số pha trộn tối thiểu hóa tương quan sai số posteriori Một dạng kết K tối thiểu hóa trình bày sau: [2-9] Thấy tương quan sai số giá trị R tiến tới 0, độ lợi K đánh giá giá trị thặng dư cao Đặc biệt: Với k số phụ thuộc vào đặc tính động cơ, loại cuộn dây, giá trị từ trường, thường số với nam châm vĩnh cữu Cuộn dây dẫn mơ hình hóa điện trở R độ dẫn L, áp vào điện áp U(t), có phương trình đây: Hình 2.17 Sơ đồ động điện  Phương trình học Trong mối quan hệ trên, phụ thuộc vận tốc góc θ’(t) theo C(t) đặc tính học quán tính vật rắn ma sát xoắn Với J: momen quán tính, số; Fs(t) ngẫu lực xoay fv hệ số ma sát quay, ta có phương trình học: Chương THỰC HIỆN 3.1 Sơ đồ khối hệ thống Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống 3.2 Thiết kế khí 3.2.1 Tóm tắt thiết kế Đề tài sử dụng vi điều khiển STM32F4, khung robot chế tạo từ mica inox, hai động DC đặt đồng trục, cho phép robot di chuyển theo hai hướng trước sau Hai động điểu khiển hai mạch cầu H L298N, cảm biến MPU 6050 sử dụng để xác định góc nghiêng robot Hai động DC 12V, 20W tốc độ 468 vòng/phút, encoder 334 xung/vòng Hai bánh xe bọc cao su có nhiều rãnh để tăng độ bám cao giúp robot cân tốt Hình 3.2 Mơ hình robot hai bánh tự cân 3.2.2 Thiết kế mơ hình Thiết kế mơ hình khí solid work Hình 3.3 Mơ hình thiết kế robot hai bánh tự cân 3.3 Mạch điện tử Hệ thống điện tử bao gồm module chính, ghép với thành hai nhóm board hai board liên kết với dây cáp.Board thứ bao gồm phần tử động lực nguồn, mạch cầu H, tín hiệu trả encoder Hình 3.3 Thiết kế PCB board 3.3.1 Nguồn điện Bộ nguồn gồm pin lipo tổng sau qua mạch giảm áp tăng áp để tạo điện áp tương ứng cho mô hình: -Nguồn 12v cho động DC -Nguồn 3v3 cho encoder động -Nguồn 5v cho mạch vi điều khiển  Pin Li-Po Hình 3.4 Pin Li-po -Thơng số kỹ thuật:  Cấu hình: 3S1P / 11.1V / 3Cell  Xa liên tục: 20C  Đỉnh xả (10 giây): 30C  Trọng lượng 225g  Dung lượng: 2650mAh  Kích thước 137 x 43 x 17 mm  Jack cắm JST-XH  Mạch Giảm Áp DC LM2596 3A Hình 3.5 Mạch Giảm Áp DC LM2596 3A -Thông số kỹ thuật:  Điện áp đầu vào: Từ 3V đến 30V  Điện áp đầu ra: Điều chỉnh khoảng 1.5V đến 30V  Dòng đáp ứng tối đa 3A  Hiệu suất : 92%  Công suất : 15W  Kích thước: 45 (dài) * 20 (rộng) * 14 (cao) mm  Mạch Tăng Áp DC XL6009 Hình 3.6 Mạch Tăng Áp DC XL6009 -Thông số kỹ thuật:  Mạch tăng áp xung DC không cách ly XL6009  Tần số: 400Khz  Dòng khơng tải: 18mA  Điện áp đầu vào từ 3.5V đến 32V     Điện áp đầu từ V đến 35V Cơng suất tối đa: 10W Dòng đáp ứng 4A, có hiệu suất làm việc 94% Kích thước: 43x21x14mm 3.3.2 Mạch cơng suất điều khiển động Hình 3.7 Mạch điều khiển động cầu H  Đặc tính kỹ thuật mạch:  IC chính: L298 - Dual Full Bridge Driver  Điện áp đầu vào: 5~30VDC  Công suất tối đa: 25W cầu (lưu ý công suất = dòng điện x điện áp nên áp cấp vào cao, dòng nhỏ, cơng suất có định 25W)  Dòng tối đa cho cầu H là: 2A  Mức điện áp logic: Low -0.3V~1.5V, High: 2.3V~Vss  Kích thước: 43x43x27mm 3.3.3 Động DC Servo Giảm tốc GA37 Động DC Servo giảm tốc GA37 V1 loại động có hộp số Encoder, thường dùng hệ khí cần độ xác cao mơ xe dò line, xe chạy mê cung, xe bánh tự cân Động DC Servo giảm tốc GA37 V1 có chất lượng độ bền cao, encoder sử dụng từ trường với lực từ mạnh giúp phản hồi xung xác, encoder có kênh AB bao gồm 11 xung, số xung sau giảm tốc 363 xung/ vòng cho độ xác cao Hình 3.8 Động DC Servo Giảm tốc GA37  Thông số động cơ:  Điện áp định mức: 12VDC  Dòng tối đa : 3A  Tốc độ động trước hộp số giảm tốc : 10.000RPM  Tỉ số truyền : 1:33  Tốc độ sau hộp số giảm tốc (trục chính) : 10.000 / 33 = 303RPM  Đường kính trục : 6mm  Thông số Encoder:  Điện áp cấp: 3.3VDC  Encoder: Đĩa từ 11 xung, kênh xung AB  Số xung Encoder sau giảm tốc: 11x33 = 363 xung / vòng  Sơ đồ chân Encoder: M1: chân cấp nguồn cho động cơ, tối đa 12VDC GND: Chân Mass 0v Encoder C1: Kênh A Encoder, xuất xung mức tín hiệu 3.3VDC C2: Kênh B Encoder, xuất xung mức tín hiệu 3.3VDC 3.3: Nguồn dương 3.3VDC cấp cho Encoder hoạt động M2: chân cấp nguồn cho động cơ, tối đa 12VDC *Nhóm nghiên cứu tăng độ phân giải encoder cách thay encoder đĩa từ động encoder đĩa quang với 112 xung / vòng Thay mắt đoc encoder Đọc encoder chế độ x4 cho 112*33*4 = 14784 xung / vòng 3.3.4 Vi điều khiển stm32f4 Hình 3.9 Vi điều khiển stm32f4  Vi điều khiển STM32F407 phần dòng STM32 Dynamic Efficiency TM Các thiết bị dòng sản phẩm High Performance F4 cung cấp cân tốt tiêu thụ lượng động (trong chế độ chạy) hiệu xử lý  Hiệu suất: Với tốc độ 168 MHz, STM32F407 mang lại hiệu suất 125 DMIPS / 339 CoreMark thực từ nhớ Flash, với trạng thái chờ đợi sử dụng Bộ gia tốc ART ST Các DSP instructions floating point unit mở rộng phạm vi ứng dụng địa  Hiệu suất điện: Quy trình 90 nm ST, Bộ gia tốc ART khả mở rộng động cho phép mức tiêu thụ nhớ Flash đạt mức 100 μA / MHz Trong chế độ Dừng, điện tiêu thụ thấp đến 10μA  Tích hợp: Các thiết bị STM32F407 lên đến 1.92 Mbytes Flash lên đến 128 Kbyte SRAM Các gói có sẵn dao động từ 49 đến 100 chân - 3X USARTs chạy với tốc độ tối đa 12,5 Mbit / s, - 5x SPI (trộn với I2S) chạy với tốc độ lên đến 50 Mbit / s, - 3x I2C lên đến 1Mbps - 1X SDIO chạy với tốc độ lên tới 48MHz có sẵn tất gói, - 1x tốc độ USB 2.0 OTG đầy đủ, - 2x full duplex I2S lên đến 32-bit / 192KHz, - 3x đơn giản I2S lên đến 32-bit / 192KHz, - 12-bit ADC đạt 2,4 MSPS, - 11 đếm thời gian, 16- 32-bit, chạy tốc độ 100 MHz  Trong phạm vi đồ án, ta sử dụng  Giao tiếp I2C với mpu6050, tốc độ 340 KHz  Encoder Quadratic Interface, đọc encoder hai động  ngắt timer cho vòng điều khiển PID  GPIO bật tắt LED  Một timer cấu hình PWM xuất xung điều khiển động 3.3.5 Gia tốc kế MPU-6050 GY-521 Module cảm biến gia tốc MPU-6050 GY-521 tích hợp gia tốc trục + quay hồi chuyển trục giúp kiểm soát cân định hướng chuyển động cho robot, máy bay, drone, tay cầm chơi game, hệ thống giữ thăng cho camera/máy ảnh, nhận biết rơi, rung, lắc,… Hình 3.10 Gia tốc kế MPU-6050 GY-521  Sơ đồ nguyên lý Hình 3.11 Sơ đồ ngun lý MPU-6050 GY-521  Thơng số kỹ thuật  Chip: MPU-6050 ( 16bit ADC, 16bit data out )  MEMS trục gyroscope:  Digital-output X, Y, Z trả tốc độ góc theo trục với tầm đo lập trình khoảng +/- 250 500 1000 2000 degree/sec  MEMS trục acclerometer:  Digital-output X, Y, Z trả gia tốc g theo trục với tầm đo lập trình khoảng +/- 2g, +/- 4g, +/- 8g, +/- 16g  Giao tiếp: I2C tốc độ lên đến 400kHz Fast Mode  SPI: tốc độ 1MHz giao tiếp với tất ghi  Nguồn sử dụng: 3V - 5V (DC) 3.4 Các phương thức giao tiếp 3.4.1 Điều chế độ rộng xung PWM Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM (PulseWidth Modulation) phương pháp điều chỉnh điện áp tải, hay nói cách khác phương pháp điều chế dựa thay đổi độ rộng chuỗi xung vuông dẫn đến thay đổi điện áp ngõ Các tín hiệu PWM biến đổi có tần số khác độ rộng sườn dương hay sườn âm Hình 3.12 Sơ đồ dạng xung điều chế PWM  Ứng dụng PWM điều khiển  PWM ứng dụng nhiều điều khiển, điển hình điều khiển động xung áp, điều áp Sử dụng PWM điều khiển độ nhanh chậm động hay cao nữa, PWM dùng để điều khiển ổn định tốc độ động  Ngoài lĩnh vực điều khiển hay ổn định tải PWM sử dụng để điều chế mạch nguồn : boot, buck, nghịch lưu pha pha [2] 3.4.2 Giao thức I2C Giao thức ưu tiên truyền thông nối tiếp phát triển Philips Semiconductor gọi bus I2C Vì nguồn gốc thiết kế để điều khiển liên thông IC (Inter Intergrated Circuit) nên đặt tên I2C Tất chip có tích hợp tương thích với I2C có thêm giao diện tích hợp chip để truyền thông trực tiếp với thiết bị tương thích I2C khác Việc truyền liệu nối hai hướng bit thực thi theo chế độ sau: chuẩn (standard) - 100Kbits/sec, nhanh (fast) 400Kbits/sec, tốc độ cao (high speed) - 3.4Mbits/sec Đường bus thực truyền thông nối tiếp I2C gồm hai đường đường truyền liệu nối tiếp SDA đường truyền nhịp xung đồng hồ nối tiếp SCL Vì chế hoạt động đồng nên cần có nhịp xung tín hiệu đồng Các thiết bị hỗ trợ I2C có địa định nghĩa trước, số bit địa thấp cấu hình Thiết bị khởi tạo q trình truyền thơng thiết bị chủ thiết bị tạo xung nhịp đồng bộ, điều khiển cho phép kết thúc trình truyền Nếu thiết bị chủ muốn truyền thơng với thiết bị khác gửi kèm thông tin địa thiết bị muốn truyền liệu truyền Thiết bị tớ gán định địa thông qua thiết bị chủ thiết lập truyền thông trao đổi liệu Bus liệu thiết kế phép thực nhiều thiết bị chủ tớ bus  Quá trình truyền thơng I2C mơ tả sau:  Tín hiệu START tạo thiết bị chủ, sau truyền liệu bit chứa địa thiết bị tớ mà thiết bị chủ muốn truyền thơng, theo thứ tự bit có trọng số lớn MSB truyền trước Bit thứ tám chứa thông tin để xác định thiết bị tớ thực vai trò nhận (0) hay gửi (1) liệu Tiếp theo bit ACK xác nhận thiết bị nhận nhận byte trước hay khơng Thiết bị truyền (gửi) truyền byte liệu bắt đầu MSB Tại điểm cuối byte truyền, thiết bị nhận tạo bit xác nhận ACK Khuôn mẫu bit (gồm bit liệu bit xác nhận) lặp lại cần truyền tiếp byte Khi thiết bị chủ trao đổi xong liệu cần quan sát bit xác nhận ACK cuối sau tạo tín hiệu dừng STOP để kết thúc q trình truyền thơng I2C giao diện truyền thơng đặc biệt thích hợp cho ứng dụng truyền thông thiết bị bo mạch với khoảng cách ngắn tốc độ thấp Ví dụ truyền thông CPU với khối chức bo mạch như: EEPROM, cảm biến, đồng hồ tạo thời gian thực Hầu hết thiết bị hỗ trợ I2C hoạt động tốc độ 400Kbps, số cho phép hoạt động tốc độ cao vài Mbps I2C đơn giản để thực thi kết nối nhiều thiết bị I2C hỗ trợ chế xác định địa Hình 3.13 Sơ đồ kết nối theo giao thức I2C  Mỗi dây SDA hay SCL nối với điện áp dương nguồn cấp thông qua điện trở kéo lên (pull‐up resistor) Sự cần thiết điện trở kéo chân giao tiếp I2C thiết bị ngoại vi thường dạng cực máng hở (open‐ drain or open‐collector) Giá trị điện trở khác tùy vào thiết bị chuẩn giao tiếp, thường dao động khoảng 1KΩ đến 4.7KΩ 3.4.3 Giao tiếp UART UART viết tắt (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) Thường mạch tích hợp sử dụng việc truyền dẫn liệu nối tiếp máy tính thiết bị ngoại vi Rất nhiều vi điều khiển tích hợp UART, vấn đề tốc độ độ điện dung UART so sánh với giao tiếp nên dòng PC Laptop đời khơng tích hợp cổng UART Cũng giao tiếp SPI I2C có dây truyền liệu dây sử dụng để truyền xung clock (SCL) để đồng giao tiếp Với UART khơng có dây SCL, vấn đề giải mà việc truyền UART dùng hai vi xử lý với nhau, đồng nghĩa với việc vi xử lý tự tạo xung clock Để bắt đầu cho việc truyền liệu UART, START bit gửi sau bit liệu kết thúc q trình truyền STOP bit Hình 3.14 Mơ tả hoạt động UART Khi trạng thái chờ mức điện áp mức (high) Khi bắt đầu truyền START bit chuyển từ xuống để báo hiệu cho nhận trình truyền liệu xảy Sau START bit đến bit liệu D0-D7 (theo Hình 2.10 bit mức tùy theo liệu) Sau truyền hết liệu đến bit Parity để nhận kiểm tra tính đắn liệu truyền Cuối STOP bit báo cho thiết bị bit gửi xong Thiết bị nhận tiến hành kiểm tra khung truyền nhằm đảm báo tính đắn liệu  Các thơng số truyền nhận UART:  Baud rate (tốc độ baud): khoảng thời gian dành cho bit truyền Phải cài đặt giống gửi nhận  Frame (khung truyền): khung truyền quy định số bit lần truyền  Start bit: bit truyền khung truyền Báo hiệu cho thiết bị nhận có gói liệu truyền đến  Data: liệu cần truyền Bit có trọng số nhỏ LSB truyền trước sau đến bit MSB  Parity bit: kiểm tra liệu truyền có khơng   Stop bit: bit nhiều bit báo cho thiết bị bit gửi xong Thiết bị nhận tiến hành kiểm tra khung truyền nhằm đảm bảo tính đắn liệu Chương KẾT LUẬN 4.1 Những kết đạt  Thiết kế hồn thiện mơ hình khí  Thiết lập mơ hình giải thuật, viết chương trình  Tất phần cứng thiết kế cho xe hoạt động theo yêu cầu:  Mạch cầu H mạch nguồn cung cấp đủ lượng để động hoạt động công suất tối đa  Thiết kế hoàn thiện board giúp liên kết cố định module  Thiết kế hoàn thiện module encoder có tốc độ đọc 334 xung vòng, hỗ trợ cho vòng PID điều khiển tốc độ động  Giao tiếp máy tính qua cổng nối tiếp UART để hiệu chỉnh sensor thử nghiệm  Lọc Kalman tín hiệu cảm biến góc đọc so sánh kết thực nghiệm giữ giá trị góc nghiêng thô giá trị sau qua lọc 4.2 Hướng phát triển  Tìm hiểu thêm thuật toán điều khiển khác như: fuzzy, nơ ron, điều khiển trượt… để tăng thêm hiệu cho thuật toán cân  Cần xây dựng thêm giải thuật di chuyển điều khiển thông qua RF, Bluetooth dựa hệ điều hành Android để phát triển thành sản phẩm giải trí hoàn thiện  Đề tài tiền đề cho việc xây dựng mơ hình xe hai bánh tự cân di chuyển địa hình phẳng ... hồi chuyển hai bánh xe quay Còn xe hai bánh tự cân bằng, loại xe có hai bánh với trục hai bánh xe trùng nhau, để xe cân bằng, trọng tâm xe (bao gồm người sử dụng) cần giữ nằm bánh xe Giống ta... độ bám cao giúp robot cân tốt Hình 3.2 Mơ hình robot hai bánh tự cân 3.2.2 Thiết kế mơ hình Thiết kế mơ hình khí solid work Hình 3.3 Mơ hình thiết kế robot hai bánh tự cân 3.3 Mạch điện tử Hệ... thắc mắc Trong phạm vi đề tài này, chúng em thiết kế để xe tự đứng cân Mục tiêu thực giải thuật điều khiển PID đối tượng xe hai bánh cân bằng, có kết thực tế kiểm chứng Chương XÂY DỰNG THUẬT