ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA VẬT LÝ
Đặng Tiến Nam
NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO
THIẾT BỊ LÁI TỰ CÂN BẰNG
Khóa luận tốt nghiệp đại học hệ chính quy
(Chương trình đào tạo Chuẩn)
Hà Nội - 2021
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA VẬT LÝ
Đặng Tiến Nam
NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO
THIẾT BỊ LÁI TỰ CÂN BẰNG
Khóa luận tốt nghiệp đại học hệ chính quy
(Chương trình đào tạo Chuẩn)
Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Cảnh Việt
Hà Nội - 2021
Mục lục
Lời cảm ơn 1
Mở đầu 2
1 Giới thiệu thiết bị lái tự cân bằng 3
1.1 Thiết bị lái tự cân bằng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2 Mục đích thiết kế thiết bị lái tự cân bằng . . . . . . . . . . . . 4
1.3 Ưu điểm và nhược điểm của xe hai bánh tự cân bằng . . . . . 7
1.3.1 Ưu điểm của xe hai bánh tự cân bằng . . . . . . . . . . 7
1.3.2 Nhược điểm của xe hai bánh tự cân bằng . . . . . . . . 7
1.4 Khảnăngứngdụng........................ 7
1.5 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước . . . . . . . . . . . 8
1.5.1 JOE ............................ 9
1.5.2 Toyota Partner Robot: Rolling Type . . . . . . . . . . 9
1.5.3 Xe mô tô tự cân bằng Honda Riding Assist . . . . . . . 10
1.5.4 Segway........................... 10
1.5.5 Ván trượt cân bằng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.6 Nhucầuthựctế.......................... 12
1.7 Mục tiêu và phương pháp nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . 13
1.7.1 Mụctiêu.......................... 13
1.7.2 Phương pháp nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2 Cơ sở lý thuyết 15
2.1 Phương pháp tính động lực học . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.1.1 Nền tảng lý thuyết từ con lắc ngược . . . . . . . . . . 16
2.1.2 Động lực học mô hình xe tự cân bằng . . . . . . . . . . 20
2.2 Kỹ thuật lý thuyết điều khiển hiện đại . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.1 Thiết kế cổ điển và hiện đại . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.2 Định lý về khả năng điều khiển . . . . . . . . . . . . . 27
2.2.3 Thiết kế gán cực hồi tiếp biến toàn trạng thái . . . . . 28
2.2.4 Thiết kế hệ thống ổn định gán cực cho ngõ vào đơn . . 31
MỤC LỤC
2.3 Lý thuyết về chuyển động trong không gian ba chiều . . . . . 35
2.4 Các phương pháp xử lý tín hiệu từ cảm biến . . . . . . . . . . 37
2.4.1 IMU ............................ 37
2.4.2 Đọc dữ liệu từ cảm biến . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.4.3 Phép đo lý tưởng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.4.4 Kết hợp dữ liệu từ các cảm biến (Ánh xạ cảm biến) . . 41
2.5 Bộ lọc Savitzky – Golay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.6 Mô hình lý thuyết động cơ DC . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.7 Phương pháp điều chế độ rộng xung - PWM . . . . . . . . . . 55
2.7.1 Nguyênlý......................... 55
2.7.2 Ưuđiểm.......................... 57
2.7.3 Nhượcđiểm........................ 57
2.8 Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ - PID . . . . . . . . . . . . . . 57
2.8.1 Khâutỉlệ......................... 59
2.8.2 Khâutíchphân...................... 59
2.8.3 Khâuviphân....................... 60
2.8.4 Tổngquát......................... 61
3 Thiết kế và sản phẩm 62
3.1 Mô hình thử nghiệm xe hai bánh tự cân bằng không người lái 63
3.1.1 Khung xe và phần cứng . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.1.2 Phầnmềm......................... 64
3.1.3 Điều chỉnh hệ số điều khiển PID qua chiết áp . . . . . 66
3.2 Thiết bị lái tự cân bằng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.2.1 Tóm tắt thiết kế cơ khí . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.2.2 Tính toán sức bền . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.2.3 Mạchđiệntử ....................... 70
3.2.4 Giải thuật - Lưu đồ thuật toán . . . . . . . . . . . . . 77
3.3 Sảnphẩm ............................. 90
3.3.1 Xe hai bánh tự cân bằng không người lái . . . . . . . . 90
3.3.2 Thiết bị lái tự cân bằng . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4 Kết luận 94
4.1 Kếtquảđạtđược......................... 95
4.2 Kết quả chưa đạt được . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.3 Hướngpháttriển ......................... 96
4.4 Kếtluận.............................. 96
Tài liệu tham khảo 98
Phụ lục 100
Đặng Tiến Nam - K61 Vật lý Chuẩn
Danh sách hình vẽ
1.1 Trọng tâm của xe/robot ba bánh khi di chuyển trên mặt phẳng
nằmngang............................. 5
1.2 Trọng tâm của xe/robot ba bánh khi di chuyển trên dốc nghiêng 6
1.3 Trọng tâm của xe/robot hai bánh khi di chuyển trên dốc . . . 6
1.4 RobotJOE ............................ 9
1.5 Robot hình người của Toyota . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.6 Xe tự cân bằng xây dựng trên board Arduino . . . . . . . . . 10
1.7 Xe tự cân bằng Segway-PT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.8 Một ván trượt cân bằng phổ biến hiện nay . . . . . . . . . . . 11
2.1 Mô hình con lắc ngược . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2 Sơ đồ khối các biến lối vào và biến lối ra của mô hình con lắc
ngược ............................... 17
2.3 Sơ đồ các lực tác dụng lên xe và con lắc . . . . . . . . . . . . 18
2.4 Định nghĩa các biến đầu vào và nhiễu của hàm trạng thái . . . 20
2.5 Giản đồ lực của mô hình xe hai bánh tự cân bằng . . . . . . . 21
2.6 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống vòng kín thông tin hồi tiếp toàn
trạngtháichung ......................... 30
2.7 Sơ đồ nguyên lý của bộ ổn định hồi tiếp toàn trạng thái (hệ
thống điều khiển có véc-tơ trạng thái mong muốn bằng 0)
khôngcónhiễu .......................... 30
2.8 Yaw, pitch và roll trong chuyển động ba chiều của máy bay . . 36
2.9 Yaw, pitch và roll trong chuyển động ba chiều của MPU6050 . 36
2.10 Một số cảm biến đo góc phổ biến hiện nay . . . . . . . . . . . 37
2.11 Có thể nhận thấy được chiều của trọng lực thông qua trục X . 38
2.12 Giá trị đọc được từ cảm biến quay tuỳ theo chiều quay . . . . 38
2.13 Sơ đồ điều khiển PD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.14 Bài toán kết hợp dữ liệu từ các cảm biến . . . . . . . . . . . . 41
2.15 Phương pháp trực tiếp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.16 Phương pháp lọc nhanh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.17 Phương pháp đơn cảm biến . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44