Đồ án môn học balance robot

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

<b>TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCMKHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO</b>

<b>Ngành: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ơ TƠGVHD: NGUYỄN TRUNG HIẾU</b>

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 3 năm 2023

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

<b>TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCMKHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO</b>

<b>Ngành: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔGVHD: NGUYỄN TRUNG HIẾU</b>

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 3 năm 2023

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

----***----Tp. Hồ Chí Minh, ngày 29 tháng 3 năm 2023

<b>NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP </b>

Họ và tên Sinh viên: NGUYỄN LÊ ANH TUẤN MSSV: 20145648 Họ và tên Sinh viên: PHẠM NHẬT ANH KHOA MSSV: 20145538 Họ và tên Sinh viên: HUỲNH ĐÌNH PHÁT MSSV: 20145114 Họ và tên Sinh viên: PHẠM HỒNG CƯỜNG MSSV: 20145471 Ngành: Cơng nghệ Kỹ thuật Ơ tô Lớp: 2014CL7B Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Trung Hiếu ĐT:

Ngày nhận đề tài: 1/3/2023 Ngày nộp đề tài:

1. Tên đề tài: BALANCE ROBOT

2. Các số liệu, tài liệu ban đầu:

3. Nội dung thực hiện đề tài:

Tìm hiểu về các nguyên lý cân bằng. Mô phỏng và thực nghiệm mô hình robot 2 bánh tự cân bằng. Tiến hành hồn thiện sản phẩm

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

<b>CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAMĐộc lập – Tự do – Hạnh phúc</b>

<b>PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN</b>

Họ và tên Sinh viên: NGUYỄN LÊ ANH TUẤN.………….MSSV: 20145648 Họ và tên Sinh viên: PHẠM NHẬT ANH KHOA………….MSSV: 20145538 Họ và tên Sinh viên: HUỲNH ĐÌNH PHÁT………..MSSV: 20145114 Họ và tên Sinh viên: PHẠM HỒNG CƯỜNG………...MSSV: 20145471 Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Ơ tơ……… Tên đề tài: BALANCE ROBOT………. Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Trung Hiếu Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2023 Giáo viên hướng dẫn (Ký và ghi rõ họ tên)

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

<b>CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAMĐộc lập – Tự do – Hạnh phúc</b>

<b>PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN</b>

Họ và tên Sinh viên: NGUYỄN LÊ ANH TUẤN.………….MSSV: 20145648 Họ và tên Sinh viên: PHẠM NHẬT ANH KHOA………….MSSV: 20145648 Họ và tên Sinh viên: HUỲNH ĐÌNH PHÁT………..MSSV: 20145114 Họ và tên Sinh viên: PHẠM HỒNG CƯỜNG………...MSSV: 20145471 Ngành: Cơng nghệ Kỹ thuật Ơ tơ……… Tên đề tài: BALANCE ROBOT………. Họ và tên Giáo viên phản biện: Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2023 Giáo viên phản biện

(Ký và ghi rõ họ tên)

<b>MỤC LỤC</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

<b>Trang phụ bìa...i</b>

<b>NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP...ii</b>

<b>PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN...iii</b>

<b>PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN...iv</b>

<b>DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ...xi</b>

<b>Chương 1. Tổng quan về đề tài...1</b>

<b>1.1. Sơ lược về đề tài...1</b>

<b>1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước...1</b>

<b>1.2.1. Balance-bot I...2</b>

<b>1.2.2. JOE...2</b>

<b>1.2.3. Balancing robot (Bbot)...3</b>

<b>1.3. Robot tự cân bằng 2 bánh là như thế nào ?...4</b>

<b>Chương 2. Cơ sở lý thuyết và thực nghiệm...5</b>

<b>2.1. Nguyên lý cơ bản về cân bằng robot 2 bánh...5</b>

<b>2.1.1. Cân bằng con lắc ngược. ...6</b>

<b>2.2. Động lực học của robot 2 bánh tự cân bằng...9</b>

<b>2.3. Mô phỏng trên Matlab-Simulink...13</b>

<b>2.3.1. Giới thiệu về Matlab-Simulink...13</b>

<b>2.3.2. Mô phỏng qua Matlab...13</b>

<b>2.3.3. Mô phỏng thông qua Simulink...14</b>

<b>Chương 3. Kết luận và Hướng phát triển của đề tài...15</b>

<b>3.1. Mục tiêu của đề tài...15</b>

<b>3.2. Mục đích của đề tài...15</b>

<b>Chương 4. Dự kiến kết quả...17</b>

<b>Chương 5. Kế hoạch thực hiện...18</b>

<b>TÀI LIỆU THAM KHẢO...19</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

<b>LỜI CẢM ƠN</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh cũng như khoa Đào tạo Chất lượng cao của trường. Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến giảng viên bộ mơn - thầy Nguyễn Trung Hiếu. Chính thầy đã hướng dẫn và truyền đạt những kiến thức quý báu; định hướng, cho chúng em những lời khun để nhóm chúng em có thể hồn thành đồ án của mơn học một cách nhiệt tình trong học kỳ vừa qua. Trong thời gian hoàn thành dự án Robot 2 bánh tự cân bằng nhờ có thầy Nguyễn Trung Hiếu hướng dẫn, cho lời khuyên, nhóm em đã tiếp xúc được rất nhiều kiến thức bổ ích và cần thiết cho quá trình học tập và cũng như phục vụ cho công việc sau này của mình.

Điều khiển tự động là một mơn học thú vị và bổ ích. Tuy nhiên, kiến thức và kỹ năng của chúng em trong lĩnh vực này vẫn còn hạn chế. Vì vậy, bài báo cáo đồ án của em khơng tránh khỏi những sai sót. Mong rằng thầy, các bạn sẽ cho em nhiều nhận xét và chỉ dẫn để em hoàn thiện hơn phần đồ án của nhóm.

Em và các thành viên nhóm xin chân thành cảm ơn!

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

<b>TĨM TẮT ĐỀ TÀI</b>

Có thể xem đề tài robot 2 bánh tự cân bằng này là sự ứng dụng kinh nghiệm đến từ tìm hiểu mơ hình thăng bằng đến việc nghiên cứu, chế tạo robot hai bánh tự cân bằng và từ đó có thể chế tạo robot tự cân bằng bằng 2 chân và robot hình người trong tương lai. Mục đích của đồ án này là thiết kế và chế tạo xe hai bánh tự cân bằng dựa trên lý thuyết cân bằng con lắc ngược. Khác với xe scooter, xe hai bánh thông thường với hai bánh trước và sau, robot được nhắc đến trong đề tài có hai bánh được bố trí song song nên các bánh bên trong có thể di chuyển rất gọn gàng trong những không gian hẹp.

Đề tài này được quan tâm từ việc tính tốn các thơng số đầu vào và ra, dựa trên đó đề xây dựng các mơ phỏng, thực hiện phân tích các hàm của chuyển động sau đó đến việc thiết kế mơ hình, và điều khiến, viết các chương trình điều khiển với mục đích cuối cùng là tạo ra một robot di chuyển cân bằng trên hai bánh xe đồng trục được lắp. trên hai động cơ dựa theo các định luật cơ học Newton và cơ học vật rắn: điều khiển để ln duy trì bề mặt chân đề (hai bánh xe) ở vị trí ngay dưới trọng tâm của robot khi đứng yên để robot có thể cân bằng, và tạo một sai số nhỏ về góc nghiêng của thân xe với nền khi muốn xe chuyển động.

Sư cân bằng được tính tốn và mơ phỏng bằng phần mềm Matlab- Simulink, để chứng minh rằng hồn tồn có khả năng để điều khiển một mơ hình robot tự cân bằng chỉ nhờ một hệ thống điều khiển hoạt động của động cơ điện gắn trên mỗi bánh xe.

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

This project can be an useful experiment to the research and manufacture in balancing robot and humanoid robot in future. The main purposes of my project are designing and manufacturing a selfbalancing robot, based on the theory of the balancing inverted pendulum. It is unlike the popular scooter or bicycle, which have two wheels being in a same surface (the wheel's axes are parallel). Its parallel wheels configuration make it compact enough to be maneuvered through most pedestrian.

Calculating parameters of the model to construct the simulation, designing the model making electronic boards and controller, and programming the

microcontroller are the missions in the project, to reach the main goal of building a scooter that could balance in its two coaxial wheels driven by two intergrated motors. The method analysing the auto-balancing scooters dynamic is roughly based on Newton's laws and mechanics of solid. To keep the scooter remains balanced when scooter dont move, it must drive the wheels staying under the scooter's gravity, and making a small error in tilt angle (angle of the chassis with respect to the ground) when the scooter moves.

The balance of robot is also calculated and simulated by Matlab-Simulink program, to show that it is clearly possible to control such a system using an electric motor mounted on eạch of the two wheels.

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

2.1.1.2 Phân tích các lực tác dụng vào hệ thống con lắc ngược 8

2.2.1 Các lực đối với các bộ phận của robot 2 bánh tự cân bằng 9

2.3.2.1 Biểu đồ thể hiện các thông số theo thời gian khi mô phỏng hàm truyền

2.3.3.1 Sơ đồ khối và mơ phỏng vịng hồi tiếp sử dụng bộ điều khiển PID trên Matlab-Simulink của dự án robot cân bằng đã thực hiện

15

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

<b>Chương 1. Tổng quan về đề tàiI.1. Sơ lược về đề tài.</b>

- Công nghệ robot tự hành đã và đang rất phát triển và thịnh hành. Hiện có rất nhiểu loại robot trên thị trường có thể tự hành thơng qua các cảm biến hoặc cũng có thể được điều khiển bởi con người. Điểm chung của các phần lớn các robot như vậy là chúng có thể có 3, 4 bánh xe hoặc nhiều bánh, điều này có nghĩa là chúng được cân bằng sẵn bởi một mặt phẳng tạo ra bởi các bánh xe. Tuy nhiên có một số địa hình dốc lên xuống liên tục khiến chúng có thể khơng được linh hoạt và mất cân bằng. Đối với robot 3 bánh khi xuống dốc, trọng tâm dồn về đầu robot khiến chúng có thể lật vì bánh lái đằng trước chỉ có 1 bánh và chỉ để điều hướng. Khi lên dốc, trọng tâm lại dồn về đuôi robot khiến cho trọng lượng đi robot tăng lên khiến chúng bị có xu hướng lật về sau làm mất khả năng điều hướng bởi bánh trước.

Hình 1.1.1: Trọng tâm của xe dồn về một phía khiến robot 3 bánh mất cân bằng. - Vì thế, nhóm chúng em quyết định chọn và thử nghiệm thông qua đề tài thực hiện một sản phầm robot tự cân bằng bằng 2 bánh xe bởi tính di động của nó, đồng thời cũng tìm hiểu các hoạt động của các bộ phận điều khiển khi robot cân bằng trên các địa hình và xét tính khả thi của đề tài đối với đời sống hàng ngày cũng như là áp dụng đại trà phục vụ cho các cơng việc đặc thù.

<b>I.2.Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

<b>I.2.1. Balance-bot I</b>

Hình 1.2.1.1: Balance-bot I.

Balance-bot I (do Sanghyuk, Hàn Quốc thực hiện) là một robot hai bánh tự cân bằng bằng cách kiểm sốt thơng tin phản hồi. Hệ thống cao 50cm. Khung chính được làm bằng nhơm. Nó có hai trục bánh xe nối với hộp giảm tốc và động cơ DC cho sự phát động. Tổng cộng có ba bộ vi xử lý Atmel được sử dụng. Vi điều khiển chính (master) thi hành những nguyên lý kiểm soát và thuật toán ước lượng. Một vi điều khiển khác kiểm soát tất cả cảm biến analog. Vi điều khiển thứ ba điều khiển động cơ DC.

Linear quadratic regulator (LQR) được thiết kế và thực thi mạch điều khiển. Nó có bốn giá trị khác nhau – góc nghiêng, vận tốc góc nghiêng, góc quay bánh xe, và vận tốc góc quay, sau đó nó tạo lệnh cho động cơ DC để điều chỉnh tốc độ bánh xe.

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

Phịng thí nghiệm điện tử cơng nghiệp của Viện Cơng nghệ Federal, Lausanne, Thụy Sĩ, đã tạo ra cuộc cách mạng đầu tiên khi xây dựng mơ hình xe hai bánh. Robot JOE cao 65cm, nặng 12kg, tốc độ tối đa khoảng 1.5m/s,có khả năng leo dốc nghiêng đến 30. Nguồn điện cấp là nguồn pin 32V khả năng 1.8Ah

Hình dạng của nó gồm hai bánh xe trục, mỗi bánh gắn với một động cơ DC, chiếc xe này có thể chuyển động xoay theo hình U. Hệ thống điều khiển được lập từ hai bộ điều khiển state-space tách rời nhau, kiểm soát động cơ để giữ cân bằng cho hệ thống. Những thông tin về trạng thái của JOE được cung cấp bởi hai encoder quang và vận tốc của con quay hồi chuyển.

JOE được điều khiển bởi một bộ điều khiển từ xa R/C thường được sử dụng để điều khiển các máy bay mơ hình. Bộ điều khiển trung tâm và xử lý tín hiệu là một board xử lý tín hiệu số (DSP) được phát triển bởi chính nhóm và của viê Federal, có khả năng xử lý dầu chùm đồng (SHARC floating point), FPGA XILINC, 12 bo biến đổi AD 12bit và 4 bộ biến đổi D/A 19bit.

<b>I.2.3. Balancing robot (Bbot)<small>3</small></b>

Vào năm 2003, Jack Wu và Jim Bai là những sinh viên trường Đại học Camegie Mellon dưới sự trợ giúp của GS. Chris Atkeson đã thực hiện đề tài robot hai bánh tự cân bằng như luận văn tốt nghiệp. Robot này có thể xác định vị trí hưởng của nó đối với môi trường và lối động cơ theo hướng này.

Để đo góc nghiêng của robot, các sinh viên này đã sử dụng hệ thống đo lường gốc 2DOF duge tich hop sin cua hang Rotonotion. Hệ thống này gồm gia tốc kể ADXL202 và mạch con quay hồi chuyển. Vi mạch điều khiển dùng trên robot này là BasicX 24, có nhiều tính năng khác nhau. Nó được dùng như bộ điều khiển động cơ, COME được Đối với Pocket PC và COM3 thì nói với bộ điều khiển servo Mini SSC 12. Nó cịn được sử dụng như CPU chính cho việc điều khiển thăng bằng cho robot.

<small>3 Tr nh Hoàng Nam – Đồồ Án chuyên ngành: “H thồống cân bằồng 2 bánh t đ ng” – 12/2019 - ịệự ộ</small>

<small> class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

Hình 1.2.3.1: Bbot.

<b>I.3.Robot tự cân bằng 2 bánh là như thế nào ?</b>

- Các robot có thiết kế 3 hoặc bánh gồm 1 trục sau 2 bánh và 1 trục điều khiển dẫn hướng phía trước gồm 1 hoặc 2 bánh thì chúng tự cân bằng nhờ các bánh xe của chúng tạo thành một mặt phẳng gọi là mặt chân đế.

- Còn đối với robot chỉ có 2 bánh, mà đường vng góc với tâm 2 bánh là trùng nhau ( khác với 2 bánh của xe đạp hoặc xe máy, xe mơ tơ ), việc cân bằng khó khăn hơn nhiều khi chúng ta phải điều chỉnh tốc độ cũng như phương di chuyển sao cho trọng tâm của robot và tâm của 2 bánh xe gần trùng với nhau trên một đường thẳng để giữ thăng bằng cho robot. Có thể tưởng tượng nó gần giống như việc chúng ta giữ thăng bằng một cây bút chì thẳng đứng trên ngón tay.

Hình 1.3.1: Giữ thăng bằng 1 chiếc bút chì để thẳng đứng trên ngón tay.

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

- Tuy nhiên để cân bằng một robot 2 bánh phức tạp hơn chúng ta nghĩ vì chúng còn phải di chuyển tới lui và còn phải đi theo các quỹ đạo quay vòng, lên và xuống dốc - Vì vậy, chúng em quyết định chọn đề tài nghiên cứu và thực hiện sản phẩm robot tự cân bằng 2 bánh vì trong thực tế sự cân bằng của một phương tiện hoặc một robot 2 bánh sẽ mang lại sự ổn định cao hơn và có nhiều sự tiện lợi hơn so với các dạng robot 3,4 bánh truyền thống.

<b>Chương 2. Cơ sở lý thuyết và thực nghiệm.2.1.Nguyên lý cơ bản về cân bằng robot 2 bánh.</b>

Hình 2.1.1: Phân tích các lực, momen và các yếu tố liên quan tới cân bằng robot 2 bánh.

- Để cân bằng robot hai bánh, chúng em sử dụng nguyên lý PID

Hình 2.1.2: Sơ đồ khối nguyên lý PID.

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

- Khi robot bị nghiêng về một phía tạo ra một góc, qua đó khiến cho robot mất cân bằng. Khi đó có tín hiệu đưa về lại trong bộ điều khiển để so sánh kiểm tra xem với góc nghiêng đó sẽ phải điều khiển cách mô tơ chạy với tốc độ bao nhiêu để góc nghiêng đó giảm đi và vịng lặp này liên tục. Nó hoạt động với cả khi robot nghiêng về phía trước hay nghiêng về phía sau.

<b>2.1.1. Mơ hình và các ký hiệu.</b>

Ta có mơ hình xe hai bánh tự cân bằng như sau:

Mơ hình xe hai bánh tự cân bằng Một số ký hiệu đặc trưng cho xe 2 bánh tự cân bằng:

rad Góc nghiêng của thân robot rad Góc xoay của bánh xe

K<small>e</small> Vs/rad Hệ số Back emf của động cơ Gia tốc góc của động cơ V<small>a</small> V Điện áp cấp cho động cơ

</div><span class="text_page_counter">Trang 19</span><div class="page_container" data-page="19">

V<small>e</small> V Điện áp phần ứng

I<small>R</small> Kgm² Moment quán tính của động cơ Nm Moment của động cơ I<small>w</small> Moment quán tính của bánh xe I<small>p</small> Moment quán tính của thân xe H<small>L</small>,H<small>R</small>P<small>L</small>,P<small>R</small> Lực tác động giữa bánh xe và thân robot

l Khoảng cách từ tâm bánh xe đến tâm trọng trường

<b>2.1.3. Cân bằng con lắc ngược. <small>4</small></b>

Hình 2.1.1.1: Mơ hình con lắc ngược.

- Xem xét mơ hình con lắc ngược ta quy ước những yếu tố sau:

<small>4 Tham kh o phân tch l c qua Đồồ Án chuyên ngành: “H thồống cân bằồng 2 bánh t đ ng” – 12/2019 - Tr nhảựệự ộịHoàng Nam. class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20">

M: khối lượng của xe (kg). M: khối lượng con lắc (kg). B: Lực ma sát tác động vào xe (N). L: Chiều dài con lắc (m).

I: momen quán tính của con lắc (Nm). F: Lực tác động vào xe (N).

X: Vị trí tương đối của xe đối với mốc ban đầu (m). Góc lệch của con lắc so với phương thẳng đứng (rad).

Hình 2.1.1.2: Phân tích các lực tác dụng vào hệ thống con lắc ngược.<small>5</small>

Trước tiên để hiểu sâu về cách nguyên lý cân bằng của robot 2 bánh tự cân bằng. Chúng ta nên tìm hiểu về cách cân bằng con lắc ngược, cái mà từ đó sẽ ứng dụng vào mơ hình của robot.

Ta có phương trình lực tác dụng lên xe theo phương ngang: (1)

Lực tác dụng lên con lắc theo phương ngang:

Với l= . Từ 1 suy ra:

Tổng lực tác dụng ở phương vng góc với con lắc ta có:

<small>5 Tham kh o t i Đêồ tài nghiên c u xây d ng h thồống điêồu khi n mồ hình con lằốc ngả ạứựệểược – PGS.TS Trâồn Anh Dũng; ThS. Nguyêễn Tiêốn Dũng – Đ i h c Hàng H i Vi t Nam – 4/2016.ạ ọảệ</small>

</div>