intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE
 » 
 » 

Khóa luận tốt nghiệp: Nghiên cứu và chế tạo thiết bị lái tự cân bằng

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:108

Thêm vào BST
Báo xấu
18
lượt xem 10
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung chính của khóa luận "Nghiên cứu và chế tạo thiết bị lái tự cân bằng" được trình bày như sau: Giới thiệu thiết bị lái tự cân bằng; mục tiêu và phương pháp; lý thuyết tiếp cận; thực hiện sản phẩm; đánh giá và kết luận. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Khóa luận tốt nghiệp: Nghiên cứu và chế tạo thiết bị lái tự cân bằng

  1. 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
  2. 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
  3. 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 Khả năng ứng dụng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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 Nhu cầu thực tế . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.7 Mục tiêu và phương pháp nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . 13 1.7.1 Mục tiêu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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
  4. 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 Nguyên lý . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 2.7.2 Ưu điểm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 2.7.3 Nhược điểm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 2.8 Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ - PID . . . . . . . . . . . . . . 57 2.8.1 Khâu tỉ lệ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 2.8.2 Khâu tích phân . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 2.8.3 Khâu vi phân . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 2.8.4 Tổng quát . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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 Phần mềm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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 Mạch điện tử . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 3.2.4 Giải thuật - Lưu đồ thuật toán . . . . . . . . . . . . . 77 3.3 Sản phẩm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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 Kết quả đạt được . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 4.2 Kết quả chưa đạt được . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 4.3 Hướng phát triển . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 4.4 Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 Tài liệu tham khảo 98 Phụ lục 100 Đặng Tiến Nam - K61 Vật lý Chuẩn
  5. Danh sách hình vẽ 1.1 Trọng tâm của xe/robot ba bánh khi di chuyển trên mặt phẳng nằm ngang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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 Robot JOE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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 trạng thái chung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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) không có nhiễu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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
  6. DANH SÁCH HÌNH VẼ 2.18 Phương pháp lọc thích nghi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.19 Tín hiệu thu được khi chưa cho xử lý qua bộ lọc Kalman . . . 46 2.20 Tín hiệu thu được khi qua một tầng lọc Kalman . . . . . . . . 46 2.21 Tín hiệu thu được khi qua bốn tầng lọc Kalman . . . . . . . . 47 2.22 Phương pháp lọc bổ phụ thông tần - Bộ lọc Complementary . 48 2.23 Kết quả thử nghiệm với tỷ lệ mẫu 79 Hz, hằng số thời gian 0.62 giây và hệ số bộ lọc 0.98 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 2.24 Ví dụ về dữ liệu được lọc sau khi sử dụng bộ lọc Savitzky - Golay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 2.25 Mô hình khung dây động cơ đặt trong từ trường . . . . . . . . 53 2.26 Mô hình điện cơ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 2.27 Điều chế xung PWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 2.28 Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID . . . . . . . . . . . . . . . . 58 3.1 Mạch điều khiển động cơ L298N . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 3.2 Sơ đồ mạch điện tử xe hai bánh tự cân bằng không người lái . 64 3.3 Bộ điều chỉnh hệ số điều khiển PID bằng chiết áp . . . . . . . 66 3.4 Sơ đồ cơ khí thiết bị . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 3.5 Chuyển vị của khung nếu toàn bộ tải trọng đặt lên . . . . . . 69 3.6 Mômen uốn nhìn theo phương ngang . . . . . . . . . . . . . . 69 3.7 Ứng suất uốn nhìn theo phương ngang . . . . . . . . . . . . . 69 3.8 Sơ đồ mạch điện tử thiết bị lái tự cân bằng . . . . . . . . . . . 70 3.9 Sơ đồ khối của mạch điện tử . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 3.10 Sabertooth Motor Driver Dual 12A . . . . . . . . . . . . . . . 72 3.11 Sơ đồ khối của MPU6050 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 3.12 MPU6050 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 3.13 Arduino UNO R3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 3.14 Sơ đồ chân của Arduino UNO R3 . . . . . . . . . . . . . . . . 76 3.15 Lưu đồ thuật toán . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 3.16 Mô hình xe hai bánh tự cân bằng không người lái . . . . . . . 90 3.17 Phần tay lái điều khiển . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 3.18 Hệ thống truyền động và cung cấp năng lượng . . . . . . . . . 92 3.19 Mạch điện tử được đặt trong hộp kỹ thuật . . . . . . . . . . . 93 3.20 Nguyên mẫu thiết bị lái tự cân bằng . . . . . . . . . . . . . . 93 Đặng Tiến Nam - K61 Vật lý Chuẩn
  7. Lời cảm ơn Trong quá trình thực hiện khóa luận, em đã nhận được sự định hướng, giúp đỡ, các ý kiến đóng góp quý báu và những lời động viên của các thầy cô giáo, gia đình và bạn bè. Trước hết, em xin bày tỏ lời cảm ơn tới quý thầy, cô đang giảng dạy tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên nói chung và khoa Vật lý nói riêng. Thầy, cô không chỉ là những người truyền thụ kiến thức đơn thuần, mà còn là những người tiếp lửa đam mê, truyền cảm hứng mãnh liệt cho chúng em trên con đường học tập và nghiên cứu khoa học. Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới thầy Nguyễn Cảnh Việt đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong quá trình nghiên cứu và thực hiện bài báo cáo này. Xin gửi lời cảm ơn tới ngài Ihart từ nước Mỹ xa xôi vì những trao đổi và hướng dẫn quý báu, mặc cho khó khăn về bất đồng ngôn ngữ cũng như múi giờ hai bên. Ngài là nguồn cảm hứng và trợ giúp lớn lao của tôi. Em cũng biết ơn sự quan tâm và ủng hộ của gia đình cũng như các anh, các chú tại xưởng cơ khí Phạm Bằng đã giúp đỡ em trong việc đưa ra góp ý và hoàn thiện sản phẩm. "Học thầy không tày học bạn", bạn bè luôn là những người sát bên và cùng nhau vượt qua những lúc khó khăn nhất. Lời cảm ơn chân thành nhất xin gửi tới những người bạn của tôi. Trong quá trình học tập cũng như thực hiện, khó tránh khỏi những sai sót không đáng có, rất mong quý thầy, cô thông cảm và bỏ qua. Ngoài ra khóa luận còn nhiều chỗ thiếu sót, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của quý thầy, cô để giúp em có thể hoàn thiện và chuẩn bị tốt hơn cho những bài báo cáo tiếp theo. Em xin chân thành cảm ơn!
  8. Mở đầu Xuất phát từ ý tưởng đã được thương mại hoá bởi Segway - một thương hiệu Mỹ nổi tiếng với các sản phẩm xe hai bánh tự cân bằng: kết hợp cách thức giữ thăng bằng của con người trên đôi chân với độ cơ động trong di chuyển của các loại xe sử dụng bánh, đã mở ra một hướng đi mới cho ngành công nghiệp robot. Thông qua nghiên cứu và tìm hiểu, ta có thể phần nào nắm bắt phương thức giữ thăng bằng cho các loại robot dạng người, cách phối hợp và xử lý tín hiệu tốt nhất từ cảm biến. Từ những kiến thức quý báu đó, có thể xây dựng nên mô hình thử nghiệm và nguyên mẫu thực tế về một thiết bị lái tự cân bằng với giá thành hợp lý cùng độ tin cậy cao. Để có thể hoàn thành đề tài nghiên cứu này, đi từ mô hình lý thuyết đến nguyên mẫu thực tế, nội dung chính của khóa luận được trình bày như sau: • Giới thiệu thiết bị lái tự cân bằng. • Mục tiêu và phương pháp. • Lý thuyết tiếp cận. • Thực hiện sản phẩm. • Đánh giá và kết luận. 2
  9. Chương 1 Giới thiệu thiết bị lái tự cân bằng 3
  10. CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU THIẾT BỊ LÁI TỰ CÂN BẰNG 1.1 Thiết bị lái tự cân bằng Thiết bị lái tự cân bằng là thiết bị có khả năng di chuyển, tự điều chỉnh để giữ thăng bằng tuỳ theo sự điều khiển của người lái. Hiện nay thiết bị lái tự cân bằng đã được phát triển và sản xuất với các phiên bản hai bánh và một bánh. Trong khoá luận này, chúng ta sẽ tìm hiểu về thiết bị lái tự cân bằng hai bánh hay còn được gọi là xe hai bánh tự cân bằng. Đối với các xe có ba hoặc bốn bánh, việc có thể giữ được thăng bằng và ổn định của chúng là do trọng tâm nằm trong bề mặt chân đế do các bánh xe tạo ra. Đối với các xe hai bánh như xe đạp hoặc xe máy, việc tự giữ thăng bằng khi không di chuyển là điều hoàn toàn không thể, vì việc thăng bằng của chúng 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 và trục của chúng trùng với nhau, để cho xe có thể giữ được thăng bằng, trọng tâm của xe (bao gồm cả người lái) cần được giữ tại vị trí nằm ngay giữa các bánh xe. Tuy nhiên trong thực tế, chúng ta không thể nào biết được trọng tâm của xe hai bánh tự cân bằng nằm ở vị trí nào, đồng thời cũng không có cách nào để tính toán được ra nó, và có thể không có khả năng di chuyển bánh xe đủ nhanh để để giữ nó luôn ở dưới toàn bộ trọng tâm. Về mặt kỹ thuật, góc giữa sàn xe và chiều trọng lực là có thể biết được. Do đó, thay vì tìm cách xác định trọng tâm nằm giữa các bánh xe, tay lái cần được giữ thẳng đứng và vuông góc với sàn xe để đảm bảo góc cân bằng bằng 0. Nếu tay lái được đẩy về phía trước, xe sẽ chạy tiến tới trước và khi nó được kéo về phía sau, xe sẽ chạy lùi về sau. Để dừng lại, chỉ cần điều khiển tay lái ngược hướng đang di chuyển thì tốc độ xe sẽ giảm dần. 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. 1.2 Mục đích thiết kế thiết bị lái tự cân bằng Hiện nay, robot di động ngày càng được phát triển mạnh mẽ và được đưa vào sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: thám hiểm, cứu hộ cứu nạn, chăm sóc bệnh nhân,... So với các robot sử dụng chân di chuyển có thể Đặng Tiến Nam - K61 Vật lý Chuẩn 4
  11. CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU THIẾT BỊ LÁI TỰ CÂN BẰNG bước qua các chướng ngại vật dễ dàng nhưng lại phức tạp hơn trong việc thiết kế và kiểm soát do có số lượng bậc tự do lớn thì robot có bánh xe lại tiết kiệm năng lượng hơn, xu hướng cấu trúc cơ khí tối ưu hơn cũng như yêu cầu về động lực học lại đơn giản hơn để có thể đứng vững cũng như di chuyển trên một địa hình bất kỳ. Những robot di động sử dụng bánh xe hầu hết đều là những robot di chuyển bằng ba bánh xe, với hai bánh lái được lắp đồng trục, và một bánh đuôi nhỏ. Ngoài ra còn có nhiều kiểu thiết kế khác nhau, nhưng đây là kiểu thông dụng nhất. Còn đối với robot di chuyển bằng bốn bánh xe, thường một đầu xe được gắn với hai bánh truyền động, đầu xe còn lại gắn với hai bánh lái. Việc thiết kế ba hay bốn bánh làm cho xe/robot được thăng bằng ổn định nhờ trọng lượng của nó được chia đều cho các bánh hay bất kỳ bộ phận nào khác để có thể đỡ được trọng lượng của xe, nếu trọng lượng được đặt nhiều vào bánh lái thì xe/robot sẽ không ổn định và dễ bị đổ, còn nếu đặt trọng lượng nhiều Hình 1.1: Trọng tâm của xe/robot ba vào bánh đuôi thì sẽ làm giảm khả bánh khi di chuyển trên mặt phẳng năng bám của hai bánh chính. Nhiều nằm ngang thiết kế xe/robot có thể di chuyển tốt trên địa hình bằng phẳng nhưng lại gặp khó khăn khi gặp phải địa hình lồi lõm, dốc đứng,... Đặng Tiến Nam - K61 Vật lý Chuẩn 5
  12. CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU THIẾT BỊ LÁI TỰ CÂN BẰNG Khi di chuyển lên dốc nghiêng, trọng lượng dồn vào đuôi xe làm bánh lái mất khả năng bám và trượt ngã, đối với bậc thang, thậm chí xe sẽ dừng hoạt động với hai bánh xe quay tròn. Khi di chuyển xuống dốc, trọng tâm thay đổi dịch về phía trước của bánh lái rất dễ làm cho xe bị lật úp. Hầu hết những xe/robot dạng này, khả năng lên dốc sẽ kém hơn so với xuống dốc, và dễ bị lập úp ngay cả với những dốc có độ nghiêng nhỏ chỉ từ 15◦ đến 20◦ . Việc bố trí bốn bánh xe (giống như xe hơi đồ chơi hoặc các loại xe bốn bánh đang Hình 1.2: Trọng tâm của xe/robot ba được sử dụng trong giao thông hiện bánh khi di chuyển trên dốc nghiêng nay) không gặp phải những vấn đề kể trên, nhưng sẽ khiến cho xe/robot mất đi sự gọn gàng và khó khăn trong việc thiết kế bộ phận lái. Ngược lại khả năng thăng bằng của các dạng xe/robot hai bánh lại rất linh động khi di chuyển trên những địa hình phức tạp, mặc dù bản thân thiết kế này là một hệ thống không ổn định. Khi leo lên (hoặc xuống) sườn dốc, xe/robot sẽ tự động điều chỉnh tiến về phía trước (hoặc phía sau) để giữ cho trọng tâm luôn rơi vào hai bánh lái. Hình 1.3: Trọng tâm của xe/robot hai bánh khi di chuyển trên dốc Đối với những địa hình phức tạp và những ứng dụng thực tế, sự thăng bằng của xe hai bánh có thể sẽ mang lại nhiều ý nghĩa thực tiễn hơn là đối với xe ba bánh truyền thống. Đặng Tiến Nam - K61 Vật lý Chuẩn 6
  13. CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU THIẾT BỊ LÁI TỰ CÂN BẰNG 1.3 Ưu điểm và nhược điểm của xe hai bánh tự cân bằng 1.3.1 Ưu điểm của xe hai bánh tự cân bằng • Sử dụng ắc-quy điện thân thiện với môi trường, có thể sạc lại dễ dàng. • Không gian sử dụng hiệu quả, đa năng. • Dễ dàng điều khiển, có thể dừng lại và tiếp tục di chuyển một cách nhanh chóng. • Tốc độ vừa phải, đảm bảo cho người điều khiển có thể xử lý mọi tình huống. • Giá thành thấp hơn so với xe máy, xe hơi. • Chiếm ít diện tích, không yêu cầu nhiều diện tích để đỗ xe, không gây tắc nghẽn giao thông, di chuyển linh hoạt trong các khu vực đông đúc hoặc trên đường. • Cuốn hút, độc đáo, phong cách. 1.3.2 Nhược điểm của xe hai bánh tự cân bằng • Gây mệt mỏi nếu phải di chuyển trên một quãng đường dài do người điều khiển phải đứng trong suốt hành trình. • Không thể làm việc khác khi điều khiển, ví dụ như nghe điện thoại hay cầm gì vật gì đó. • Không đủ nhanh để đi trên đường cao tốc, các khu vực yêu cầu tốc độ di chuyển cao. • Khó vận chuyển nhiều người cùng một lúc. 1.4 Khả năng ứng dụng Xây dựng được một phương tiện vận chuyển mới trong khu vực chật hẹp, có thể di chuyển ngay trong các toà nhà, chung cư cao tầng, trợ giúp di chuyển người già, trẻ em và người khuyết tật, đồng thời đáp ứng các yêu cầu về việc giữ gìn môi trường, hạn chế sử dụng năng lượng hoá thạch, giải quyết vấn đề về nơi đỗ, trông giữ. Đặng Tiến Nam - K61 Vật lý Chuẩn 7
  14. CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU THIẾT BỊ LÁI TỰ CÂN BẰNG Sử dụng làm phương tiện vận chuyển hàng hoá đến những nơi đã được lập trình sẵn trong các toà nhà, phòng làm việc, những không gian chật hẹp, khó di chuyển. Kết hợp trên các robot khác để mở rộng thêm khả năng di chuyển, nâng cao hiệu quả sử dụng. 1.5 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Việc nghiên cứu về các robot/xe tự cân bằng từ lâu đã được các quốc gia phát triển tập trung vào đầu tư thực hiện như một giải pháp mới cho vấn đề tìm kiếm các hình thức phương tiện giao thông đáp ứng được nhu cầu của tương lai cũng như phát triển ngành công nghiệp robot cho mục đích thương mại lẫn phi thương mại. Từ các trường đại học, viện công nghệ cho đến cả các doanh nghiệp tư nhân đều vô cùng hứng thú và đặt nhiều niềm tin vào đề tài này. Đến những năm đầu 2000, tại Việt Nam cũng đã xuất hiện các nhóm sinh viên đại học, kỹ sư tham gia nghiên cứu về nó. Tuy rằng thời gian tham gia muộn tuy nhiên chúng ta vẫn đạt được những thành quả không kém so với thế giới. Trải qua hơn hai thập kỷ, robot/xe tự cân bằng không còn chỉ là những mô hình thử nghiệm bé xíu trong các phòng thí nghiệm nữa, mà nó đã càng ngày càng hoàn thiện và trở nên gần gũi, dễ tiếp cận hơn đối với mọi người. Quá trình hình thành và phát triển của robot/xe tự cân bằng có thể được ví như một đứa trẻ từ bước chập chững sơ sinh cho đến những bước chân vững vàng trưởng thành. Đặng Tiến Nam - K61 Vật lý Chuẩn 8
  15. CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU THIẾT BỊ LÁI TỰ CÂN BẰNG 1.5.1 JOE Felix Grasser, một nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Liên bang Thuỵ Sỹ đã tạo ra một cuộc cách mạng khi xây dựng nên JOE, nguyên mẫu của những chiếc xe hai bánh tự cân bằng bây giờ. Robot JOE cao 65 cm, nặng 12 kg, tốc độ tối đa đạt được khoảng 1,5 m/s, khả năng leo dốc nghiêng lên tới 30◦ . Mục tiêu chính của robot này là cân bằng được khi di chuyển trên hai bánh xe đồng trục, mỗi bánh xe được gắn với một động cơ DC. Nó được điều khiển bằng cách áp dụng các momen xoắn riêng biệt cho mỗi bánh xe tương ứng, chính điều này giúp cho nó có thêm khả năng quay đầu xe ngay cả khi đang đứng yên theo hình chữ Hình 1.4: Robot JOE U. Một bộ điều khiển tuyến tính space-state sử dụng các thông tin thu được từ con quay hồi chuyển và bộ encoder quang để tính toán và thực hiện việc giữ ổn định cho cả thiết bị. 1.5.2 Toyota Partner Robot: Rolling Type Hình 1.5: Robot hình người của Toyota Đây là một trong những robot được hãng Toyota thiết kế nhằm phục vụ các nhu cầu cá nhân của con người. Có nhiều phiên bản được đưa ra, trong Đặng Tiến Nam - K61 Vật lý Chuẩn 9
  16. CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU THIẾT BỊ LÁI TỰ CÂN BẰNG đó đáng chú ý là phiên bản robot với hai chân được thay bằng hai bánh xe khá là mới lạ lúc bấy giờ. Nó cao 100 cm và nặng 35 kg. Mẫu robot này có khả năng di chuyển nhanh mà không chiếm quá nhiều không gian diện tích, đồng thời đôi tay linh hoạt của nó thể thực hiện được nhiều công việc khác nhau, đặc biệt còn có thể chơi được cả kèn trumpet. 1.5.3 Xe mô tô tự cân bằng Honda Riding Assist Trong triển lãm hàng điện tử tiêu dùng CES 2017 diễn ra thường kỳ, hãng Honda đã vén màn mẫu mô tô tự cân bằng mang tên Riding Assist. Mục tiêu chính khi phát triển Riding Assist-e của Honda chính là phô diễn công nghệ kiểm soát tự cân bằng. Công nghệ này giúp mô tô của Honda có thể tự đứng thẳng, không bị đổ ngay cả khi người lái không chống chân xuống đất. Như đã biết, Honda Riding Assist có thể chuyển từ chế Hình 1.6: Xe tự cân bằng xây độ tự cân bằng sang thông thường và ngược dựng trên board Arduino lại. Khi xe chuyển sang chế độ tự cân bằng, phuộc trước sẽ đẩy bánh ra xa khỏi phần thân còn lại. Chưa hết, Honda Riding Assist còn được ứng dụng cả công nghệ tự lái như ô tô. Người lái có thể dựng xe ở bên lề đường, đi vào quán bar và để mặc chiếc mô tô của mình tự tìm chỗ đỗ. Ngoài Honda, những thương hiệu lớn trên thế giới như BMW hay Yamaha đều có những sản phẩm xe tự cân bằng và cũng gây ấn tượng mạnh. 1.5.4 Segway Dean L. Kamen, người nắm giữ hơn 150 bằng sáng chế tại Mỹ và một số nước khác, đã phát minh ra SEGWAY-PT như một thiết bị dùng để vận chuyển con người ứng dụng từ mô hình robot xe hai bánh. Đây là một phương tiện chuyên chở con người chạy bằng điện với khả năng tự cân bằng, hoạt động với một hệ thống điều khiển vô cùng phức tạp, với hơn 10 bảng mạch vi xử lý Hình 1.7: Xe tự cân bằng Segway-PT Đặng Tiến Nam - K61 Vật lý Chuẩn 10
  17. CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU THIẾT BỊ LÁI TỰ CÂN BẰNG đem lại năng lực tính toán gấp 3 lần những chiếc máy tính điển hình lúc bấy giờ. Thiết bị cân bằng trên hai bánh xe được đặt song song với nhau và được kiểm soát bằng cách di chuyển trọng lượng cơ thể. Bằng cách sử dụng công nghệ này, người sử dụng có thể vượt qua các rãnh nhỏ hay lề đường và cho phép điều hướng dễ dàng trên nhiều loại địa hình khác nhau. Sự vượt trội nằm ở chỗ có tới 5 con quay hồi chuyển và một vài cảm biến góc nghiêng khác được sử dụng để giữ cho nó luôn đứng thẳng mà không bị đổ. Thực tế chỉ cần 3 con quay hồi chuyển cho toàn bộ chức năng cơ bản của hệ thống, còn các cảm biến bổ sung khác đóng vai trò như những biện pháp đảm bảo an toàn. Vì giá trị thương mại to lớn mà nó có thể đem đến, tập đoàn Segway đã phát triển và đưa ra thị trường một loạt các phương tiện giao thông cá nhân hai bánh và đạt được rất nhiều thành công lớn kể từ năm 2003. 1.5.5 Ván trượt cân bằng Hình 1.8: Một ván trượt cân bằng phổ biến hiện nay Ván trượt cân bằng hay xe điện tự cân bằng là tên mà người ta đặt cho những chiếc xe độc lạ mới xuất hiện những gần đây. Nguyên lý hoạt động của nó cũng tương tự như với các mô hình xe hai bánh tự cân bằng đã được nghiên cứu từ trước tới nay. Với giá thành rẻ và tính giải trí cao mà nó đem lại, những chiếc xe này đang trở nên phổ biến hơn, trở thành một xu hướng mới của giới trẻ tại Việt Nam nói riêng và trên thế giới nói chung. Tuy nhiên đa số những chiếc xe có mặt trên thị trường hiện này đều có nguồn gốc không rõ ràng, chưa có sự kiểm định về mặt chất lượng cũng như khả năng đảm bảo an toàn cho người sử dụng cũng như mọi người xung quanh, cho nên nó Đặng Tiến Nam - K61 Vật lý Chuẩn 11
  18. CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU THIẾT BỊ LÁI TỰ CÂN BẰNG vẫn chưa được chính thức công nhận là một loại hình phương tiện giao thông cho phép sử dụng rộng rãi mà chỉ hạn chế hoạt động tại các phố đi bộ, các sân chơi chung,... 1.6 Nhu cầu thực tế Hiện nay, trong bối cảnh điều kiện giao thông ngày càng chật hẹp, tình trạng ô nhiễm không khí ngày càng gia tăng, thì việc nghiên cứu và chế tạo một mô hình xe điện với những đặc điểm như gọn nhẹ, dễ xoay xở, không sử dụng nhiên liệu gây hại tới môi trường là một nhu cầu thực sự cấp thiết. Bên cạnh đó, việc thiết kế một nền tảng cho các robot di động là một đề tài cần thiết trong lĩnh vực tự động hoá ngày nay, nhằm trợ giúp cho người già, trẻ em, người khuyết tật,... cũng như ứng dụng trong các công việc vận chuyển, giám sát,... Về mặt khoa học và công nghệ, mô hình xe hai bánh tự cân bằng là một bước đệm quan trọng để có thể rút ra những kinh nghiệm, bài học quý báu trong việc tính toán, mô hình hoá và chế tạo các robot hai chân - một bước tiến đột phá. Ngoài ra mô hình cũng là sự bổ sung cần thiết về các giải pháp công nghệ di chuyển cho các robot di động di chuyển bằng bánh xe hay các robot hai chân, làm phong phú hơn các lựa chọn để giải quyết bài toán chuyển động trong không gian cho robot sau này. Về yếu tố tâm lý người sử dụng, mô hình xe hai bánh tự cân bằng sẽ đặt ra một câu hỏi lý thú: tại sao chiếc xe có thể di chuyển và giữ thăng bằng được chỉ với hai bánh duy nhất? Chính câu hỏi này sẽ cuốn hút nhu cầu được sở hữu và sử dụng một chiếc xe hai bánh tự cân bằng. Và đó cũng chính là lý do cho sự thành công trên toàn thế giới của hãng Segway năm 2003, cũng như trào lưu xe điện tự cân bằng tại Việt Nam năm 2018. Với những lý do khách quan nêu trên, đề tài có lẽ là một nhu cầu nhất định đối với tình hình hiện nay ở Việt Nam nói riêng và trên toàn thế giới nói chung. Đặng Tiến Nam - K61 Vật lý Chuẩn 12
  19. CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU THIẾT BỊ LÁI TỰ CÂN BẰNG 1.7 Mục tiêu và phương pháp nghiên cứu 1.7.1 Mục tiêu Mục tiêu của đề tài là xây dựng được phương tiện xe hai bánh tự cân bằng di chuyển được trên các địa hình thông thường, dựa trên nền tảng mô hình lý thuyết con lắc ngược. Khả năng di chuyển cân bằng trên hai bánh làm cho phương tiện di chuyển hiệu quả và linh động hơn, dễ dàng xoay xở trong các điều kiện không gian khác nhau. Những mục tiêu của đề tài được đặt ra như sau: • Tìm hiểu về các loại xe hai bánh nói riêng và xe tự cân bằng nói chung, nguyên lý cơ bản về cân bằng. • Tính toán các tham số động lực học, hàm trạng thái của mô hình. • Tìm hiểu về các phương pháp xử lý tín hiệu từ cảm biến. • Tìm hiểu về mô hình lý thuyết động cơ DC. • Thiết kế bản vẽ, chế tạo mô hình theo kích thước thật. • Thiết kế mạch điều khiển trung tâm, làm nhiệm vụ xử lý các tín hiệu đo được và đưa ra quyết định điều khiển. • Giải thuật cho vi điều khiển kết hợp và bù trừ các tín hiệu từ cảm biến để có được giá trị đo góc chính xác. • Xây dựng thuật toán điều khiển cho các động cơ, đảm bảo khả năng giữ di chuyển và giữ thăng bằng. • Lập trình điều khiển. 1.7.2 Phương pháp nghiên cứu Xây dựng mô hình lý thuyết: • Tiếp cận từ mô hình tương đương - mô hình con lắc ngược. • Tìm hiểu và so sánh ưu nhược điểm của các phương pháp xử lý tín hiệu số từ cảm biến, các bộ điều khiển và các phương pháp điều khiển công suất phổ biến hiện nay. Đặng Tiến Nam - K61 Vật lý Chuẩn 13
  20. CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU THIẾT BỊ LÁI TỰ CÂN BẰNG Nguyên mẫu thực tế: • Thiết kế mô hình nhỏ thử nghiệm thuật toán. • Thiết kế bộ khung cơ khí của nguyên mẫu. • Thiết kế hệ thống truyền động, cung cấp năng lượng, điều khiển. • Lập trình hệ thống. Đặng Tiến Nam - K61 Vật lý Chuẩn 14
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.01: Bộ Luận Văn Thạc Sĩ Quản Trị Kinh Doanh MBA
165 tài liệu
2054 lượt tải
THÔNG TIN
TRỢ GIÚP
HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG
Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2