Luận văn cơ điện tử Robot hai bánh tự cân bằng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG
KHOA CƠ ĐIỆN – ĐIỆN TỬ





BÁO CÁO
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC






ĐỀ TÀI:

ROBOT HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG






TRÀ TI NA
NGUYỄN TẤN HẬU

BIÊN HÒA, THÁNG 12/2013



TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG
KHOA CƠ ĐIỆN – ĐIỆN TỬ






BÁO CÁO
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC




ĐỀ TÀI:

ROBOT HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG

Sinh viên thực hiện: TRÀ TI NA
NGUYỄN TẤN HẬU
Giáo viên hướng dẫn: ThS. LÊ HOÀNG ANH







BIÊN HÒA, THÁNG 12/2013
i

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian hiện đề tài nghiên cứu khoa học đó là một trong những bƣớc
ngoặt cuối cùng đánh dấu sự trƣởng thành của một sinh viên ở giảng đƣờng đại học.
Để trở thành một cử nhân hay một kỹ sƣ đóng góp những gì mình đã học đƣợc cho
sự phát triển đất nƣớc.
Lời đầu tiên chúng em xin chân thành cảm ơn sự hƣớng dẫn tận tình của thầy
ThS. Lê Hoàng Anh, khoa Cơ điện – Điện tử, trƣờng Đại học Lạc Hồng. Trong suốt
thời gian thực hiện đề tài, thầy đã dành nhiều thời gian để hƣớng dẫn chúng em thực
hiện đề tài. Thầy đã hƣớng dẫn chúng em tìm hiểu những kiến thức cần thiết để thực
hiện đề tài. Bên cạnh đó chúng em cũng xin gởi lời cảm ơn chân thành đến thầy
ThS. Đỗ Bình Nguyên, thầy luôn nhiệt tình hƣớng dẫn, sẵn sàng giúp đỡ khi chúng
em gặp khó khăn trong việc lập trình, thiết kế bo mạch.
Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Cơ điện – Điện tử,

cũng nhƣ các thầy cô trong trƣờng đã giảng dạy, giúp đỡ chúng em trong suốt bốn
năm học qua. Chính các thầy cô đã xây dựng cho chúng em những kiến thức nền
tảng và những kiến thức chuyên môn để em có thể hoàn thành đề tài này.
Ngoài ra, em xin gởi lời cảm ơn đến gia đình, ngƣời thân, bạn bè và các anh,
chị sinh viên khóa trên đã luôn ủng hộ và giúp đỡ trong suốt quá trình chúng em
thực hiện đề tài.

ii

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i
MỤC LỤC… ii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT v
DANH MỤC HÌNH ẢNH vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU viii
Chƣơng 1: GIỚI THIỆU 1
1.1 Giới thiệu 1
1.2 Mục tiêu của đề tài 1
1.3 Phƣơng pháp nghiên cứu 1
1.4 Giới hạn của đề tài 1
1.5 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc và trên thế giới 2
1.5.1 Trong nƣớc 2
1.5.2 Nƣớc ngoài 2
1.5.2.1 nBot 2
1.5.2.2 EquipoiseBot 3
1.5.2.3 WobblyBot 4
1.5.2.4 tiltOne 4
1.5.2.5 Robot kiểu rolling của hãng TOYOTA 5
1.6 Nội dung đề tài 5

Chƣơng 2: THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG 7
2.1 Sơ đồ khối của hệ thống 7
2.2 Tính toán và thiết kế cho mô hình hệ thống 7
2.3 Mô hình robot hai bánh thực tế 10
2.4 Hệ thống điện trên mô hình robot 11
2.4.1 Mạch điều khiển Arduino Due 11
2.4.2 Mạch điều khiển động cơ 12
iii

2.4.3 Cảm biến IMU GY-86 13
2.4.4 Động cơ DC 13
2.4.5 Nguồn điện 14
2.5 Các phƣơng thức giao tiếp 15
2.5.1 Điều xung độ rộng xung PWM 15
2.5.2 Giao thức I
2
C 16
2.5.3 Giao tiếp UART 18
2.6 Thu thập dữ liệu 20
Chƣơng 3: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG 21
3.1 Nguyên lý điều khiển cân bằng 21
3.2 Bộ lọc Kalman 21
3.2.1 Giới thiệu 21
3.2.2 Bộ lọc Kalman rời rạc 22
3.2.2.1 Quá trình ƣớc lƣợng 23
3.2.2.2 Giải thuật lọc Kalman rời rạc 20
3.3 Xây dựng bộ lọc Kalman áp dụng cho cảm biến IMU 25
3.4 Giải thuật điều khiển PID 31
3.5 Xây dựng giải thuật PID điều khiển robot 33
3.6 Giải thuật điều khiển robot cân bằng bám theo vị trí ban đầu 35

Chƣơng 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 37
4.1 Độ chính xác của cảm biến 37
4.2 Giải thuật cân bằng PID trên mô hình robot 39
4.3 Kết quả thực hiện giải thuật trên mô hình robot 40
Chƣơng 5: KẾT LUẬN 41
5.1 Kết luận 41
5.2 Hƣớng phát triển của đề tài 41
TÀI LIỆU THAM KHẢO 43
iv

PHỤ LỤC 1: GIỚI THIỆU VỀ ARDUINO
PHỤ LỤC 2: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ
PHỤ LỤC 3: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH CẢM BIẾN IMU GY-86
PHỤ LỤC 4: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH ARDUINO DUE
PHỤ LỤC 5: CODE CHƢƠNG TRÌNH














v

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

CPU - Central Processing Unit
DAC - Digital to Analog Converter
DC - Direct Current
EEPROM - Electrically Erasable Programmable Read Only Memory
FET - Field-Effect Transistor
IC - International Circuit
I/O - Input / Output
I
2
C - Inter Intergrated Circuit
IMU - Inertial Measurement Unit
JTAG - Joint Test Action Group
LED - Light Emitting Diode
LSB - Least Significant Bit
MSB - Most Significant Bit
OTG - On The Go
PC - Personal Computer
PID - Proportional Integral Derivative
PWM - Pulse Width Modulation
SCL - Simply Connect Last
SDA - Serial Data Line
SPI - Serial Peripheral Interface
SRAM - Static Random Access Memory
TWI - Two-Wire Inter
UART - Universal Asynchronous Receiver – Transmitter
USB - Universal Serial Bus
VAV - Unmanned Aerial Vehicle

vi

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Mô hình robot hai bánh cân bằng 2
Hình 1.2 Robot hai bánh cân bằng nBot 3
Hình 1.3 Robot hai bánh cân bằng EquipoiseBot 3
Hình 1.4 Robot hai bánh cân bằng WobblyBot 4
Hình 1.5 Robot hai bánh cân bằng tiltOne 4
Hình 1.6 Robot hai bánh của hãng TOYOTA 5
Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống 7
Hình 2.2 Hình 2.2 Quãng đƣờng robot cần di chuyển để thực hiện cân bằng khi
nghiêng một góc 200 so với góc tại vị trí cân bằng 7
Hình 2.3 Môtả thời gian robot ngã từ trạng thái cân bằng đến một góc nghiêng 200 .8
Hình 2.4 Mô hình robot hai bánh tự cân bằng 10
Hình 2.5 Bo Arduino Due AT91SAM3X8E 11
Hình 2.6 Mạch điều khiển động cơ cầu H 12
Hình 2.7 Cảm biến IMU GY-86 13
Hình 2.8 Động cơ DC Planet 14
Hình 2.9 Pin LI-PO sử dụng cho robot 15
Hình 2.10 Sơ đồ dạng xung điều chế PWM 16
Hình 2.11 Sơ đồ kết nối theo giao thức I
2
C 18
Hình 2.12 Mô tả hoạt động của UART 19
Hình 2.13 Mô tả hoạt động thu thập dữ liệu 20
Hình 3.1 Mô tả quá trình cân bằng của robot hai bánh 21
Hình 3.2 Quy trình của bộ lọc Kalman 24
Hình 3.3 Quy trình hoàn chỉnh của bộ lọc Kalman 25

Hình 3.4 Hệ thống điều khiển vòng kín 32
Hình 3.5 Đổ thị biễu diễn hệ số PID theo thời gian 33
Hình 3.6 Robot cân bằng bám theo vị trí ban đầu 35
vii

Hình 3.7 Sơ đồ thuật giải robot bam theo vị trí ban đầu 36
Hình 4.1 Biểu đồ so sánh góc nghiêng theo trục y của bộ lọc Complementary, bộ
lọc Kalman và góc nghiêng theo trục y thu trực tiếp từ cảm biến IMU 37
Hình 4.2 Biểu đồ so sánh thời gian đáp ứng giữa bộ lọc Complementary và bộ lọc
Kalman… 38
Hình 4.3 Biểu đồ mô so sánh độ ổn định ngõ ra của bộ lọc Kalman với bộ lọc
Complementary 38
Hình 4.4 Góc nghiêng theo trục y của robot khi thực hiện giải thuật cân bằng 39
Hình 5.1 Robot đang thực hiện việc cân bằng 41

viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Bảng thu thập thời gian robot ngã do lực hút của Trái Đất 8
Bảng 2.2 Chọn động cơ với các thông số 10
Bảng 2.3 Thông số kỹ thuật bo Arduino Due AT91SAM3X8E 11
Bảng 2.4 Thông số kỹ thuật của động cơ DC Planet 14
Bảng 3.1 Ảnh hƣởng của các thành phần K
P
, K
I
, K
D
đối với hệ kín 33
Bảng 3.2 Phƣơng pháp Ziegler–Nichols 35

1


Chương 1
GIỚI THIỆU

1.1 Giới thiệu
Cùng với phát triển của khoa học kỹ thuật, ngày nay robot có khả năng thay
thế con người làm việc trong những môi trường độc hại, trong sản xuất hoặc bắt
chước con người về hình thức, hành vi và cả suy nghĩ Hiện nay lĩnh vực robot
đang phát triển nhanh nhờ vào sự phát triển liên tục của công nghệ, robot đã và
đang được chế tạo để phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau. Với ý tưởng sử dụng
robot thay thế con người thì “Robot hai bánh tự cân bằng” cũng là đề tài hiện đang
được nhiều tác giả quan tâm vì mô hình robot này có khả năng di chuyển nhanh,
linh hoạt nhưng lại không chiếm nhiều không gian [1], [3].
1.2 Mục tiêu của đề tài
Mục tiêu của đề tài là xây dựng mô hình robot hai bánh thực tế có khả năng tự
cân bằng có cấu trúc đơn giản phục vụ cho việc nghiên cứu, giảng dạy tại phòng thí
nghiệm, mô hình sản phẩm trưng bày hay những trò chơi với mục đích giải trí.
1.3 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài được tiếp cận dựa trên các phương pháp sau:
 Phương pháp khảo sát tài liệu, tìm hiểu các tài liệu liên quan đến đến đề tài
như: cấu trúc robot hai bánh tự cân bằng, cảm biến IMU, mạch điều khiển động cơ.
 Phương pháp khảo sát các thuật toán lọc nhiễu cho cảm biến IMU như: bộ
lọc Kalman, bộ lọc Complementary và thuật toán điều khiển PID.
 Phương pháp thực nghiệm tiến hành xây dựng các thuật toán trên mô hình
robot hai bánh thực tế.
1.4 Giới hạn của đề tài
Đề tài tập trung vào việc xây dựng mô hình phần cứng robot như: kết cấu cơ
khí, mạch điều khiển động cơ, các thuật toán trên vi điều khiển như bộ lọc Kalman
2


giải thuật cân bằng PID. Robot chỉ có thể cân bằng tại một vị trí chưa có khả năng
vừa di chuyển vừa cân bằng.
1.5 Tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới
1.5.1 Trong nước
Mô hình robot hai bánh tự cân bằng luận văn thạc sĩ của tác giả Nguyễn Gia
Minh Thảo, trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh.

Hình 1.1 Mô hình robot hai bánh cân bằng
1.5.2 Nước ngoài
Một số kỹ thuật viên và sinh viên ngành Cơ điện tử, Tự động hóa đã nghiên
cứu cho ra đời nhiều dạng robot hai bánh cân bằng. Sau đây là một số thông tin về
các mô hình robot hai bánh tự cân bằng.
1.5.2.1 nBot
nBot do ông Anderson sáng chế. nBot lấy ý tưởng cân bằng là các bánh xe sẽ
phải chạy theo hướng mà phần trên robot sắp ngã. Nếu bánh xe có thể di chuyển để
trọng tâm robot luôn rơi vào chính giữa thì robot sẽ giữ được cân bằng.
3

Hình 1.2 Robot hai bánh cân bằng nBot
1.5.2.2 EquipoiseBot
EquipoiseBot sử dụng hai cảm biến là cảm biến gia tốc và cảm biến con quay
hồi chuyển. Góc nghiêng của robot được tính toán từ hai giá trị khác nhau. Một từ
cảm biến gia tốc bằng cách sử dụng thuật toán Tangens-Funktion và một từ cảm
biến con quay hồi chuyển sử dụng phương pháp tích phân. Hai giá trị này được kết
hợp trong một bộ lọc để cho ra một giá trị mới và được sử dụng cho đầu vào bộ PID
để điều khiển các động cơ, giữ cho robot cân bằng.

Hình 1.3 Robot hai bánh cân bằng EquipoiseBot

4


1.5.2.3 WobblyBot
WobblyBot thực chất là mô hình sử dụng con lắc ngược, được gắn dưới phần
thân ở giữa hai bánh xe. WobblyBot được thiết kế với phần dưới của robot nặng
hơn nhiều so với phần trên giúp robot có khả giữ cân bằng tốt nhất.

Hình 1.4 Robot hai bánh cân bằng WobblyBot
1.5.2.4 tiltOne
tiltOne là một robot hai bánh cân bằng với chiều cao 90 cm và có khả năng
chở tải trọng lên tới 50 kg. Nguyên lý hoạt động cũng giống như các robot hai bánh
có kích thước nhỏ hơn, sử dụng hai cảm biến là cảm biến gia tốc và cảm biến con
quay hồi chuyển và thuật toán PID để điều khiển robot cân bằng.

Hình 1.5 Robot hai bánh cân bằng tiltOne

5


1.5.2.5 Robot kiểu rolling của hãng TOYOTA
Đây là robot có công dụng phục vụ con người do hãng TOYOTA thiết kế.
Mẫu robot này có khả năng di chuyển nhanh và ít chiếm không gian. Đồng thời đôi
tay của robot có thể làm nhiều công việc khác nhau, chủ yếu được sử dụng với mục
đích giải trí.


Hình 1.6 Robot hai bánh của hãng TOYOTA
1.6 Nội dung đề tài
Nội dung phần còn lại của đề tài gồm các chương như sau:
 Chương 2: THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG
Nội dung chương 2 trình bày sơ đồ khối hệ thống, xây dựng mô hình robot hai
bánh thực tế, thiết kế hệ thống điện và các thành phần tham gia điều khiển robot
như: bo Arduino Due, mạch điều khiển động cơ, cảm biến IMU GY-86, động cơ
Planet và Pin LI-PO. Phần cuối chương giới thiệu các phương thức giao tiếp sử
dụng trên mô hình như: điều chế độ rộng xung PWM, giao thức I
2
C, giao tiếp
UART và thu thập dữ liệu để vẽ dạng sóng ngõ ra trên phần mềm Labview.
 Chương 3: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG
Phần đầu chương 3 giới thiệu về nguyên lý điều khiển cân bằng của robot, giới
thiệu tổng quan về bộ lọc Kalman, cơ sở, bản chất, giải thuật của bộ lọc Kalman rời
rạc. Giải thuật điều khiển PID được sử dụng để đáp ứng ngõ ra nhanh, chính xác
6


trong việc cân bằng robot và cuối cùng là giải thuật điều khiển robot cân bằng bám

theo vị trí ban đầu.
 Chương 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
Chương 4 trình bày kết quả thực nghiệm về độ chính xác khi sử dụng bộ lọc
Complementary, bộ lọc Kalman so với dữ liệu thô từ cảm biến, xây dựng giải thuật
điều khiển PID trên mô hình thực tế.
 Chương 5: KẾT LUẬN
Nội dung chương 5 trình bày tóm tắt các kết quả mà đề tài đã đạt được và
hướng phát triển để khắc phục những giới hạn nhằm hoàn thiện đề tài tốt hơn.



















7

Chương 2
THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG

2.1 Sơ đồ khối của hệ thống
Cảm biến IMU
GY-86
Arduino Due
AT91SAM3X8E
Mạch điều khiển
động cơ cầu H
Nguồn cung cấp
I C
2
PWM

Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống
2.2 Tính toán và thiết kế cho mô hình hệ thống
Giả sử góc nghiêng mà robot có thể giữ cân bằng được giới hạn trong khoảng
±20
0
so với góc tại vị trí cân bằng lý tưởng 90
0
theo trục y.
50 cm
a) Robot ở trạng
thái cân bằng
50 cm
20
0
70

0
A B
C
α
AB = ?
b) Trạng thái robot đang ở
góc nghiêng 20 so với góc
tại vị trí cân bằng
0

Hình 2.2 Quãng đường robot cần di chuyển để thực hiện cân bằng khi nghiêng một
góc 20
0
so với góc tại vị trí cân bằng
8


Như mô tả trong Hình 2.2 để robot có thể giữ được cân bằng khi ngã thì
robot phải di chuyển một đoạn đường là  trong khoảng thời gian  cho phép để
có thể hứng được trọng tâm của robot, các giá trị này được tính toán như sau:
     

   (2.1)
50 cm
a) Robot ở trạng
thái cân bằng
50 cm
20
0
70

0
A B
C
α
17.1 cm
t = ?
b) Trạng thái robot đang ở
góc nghiêng 20 so với góc
tại vị trí cân bằng
0

Hình 2.3 Mô tả thời gian robot ngã từ trạng thái cân bằng đến một góc
nghiêng 20
0

Thời gian ngã của robot từ vị trí cân bằng đến góc nghiêng giới hạn được xác
định bằng phương pháp thực nghiệm trên mô hình thực tế. Giá trị góc nghiêng được
thu thập theo thời gian và được truyền về máy tính như trong Bảng 2.1.
Bảng 2.1 Bảng thu thập thời gian robot ngã do lực hút của Trái Đất
Thời
gian
(ms)
Góc nghiêng theo trục y (độ)
Lần 1
Lần 2
Lần 3
Lần 4
0
88.42
0

88.01
0

88.27
0

88.45
0

50
88.32
0

88.05
0

88.23
0

88.41
0

100
88.01
0

87.77
0

87.89
0

88.12
0

150
88.80
0

88.68
0

88.67
0

88.97
0

200
88.51
0

88.41
0

88.37
0

88.67

0

9


250
87.71
0

87.30
0

88.07
0

88.41
0

300
87.69
0

87.45
0

87.17
0

88.10
0

350
87.38
0

87.18
0

86.85
0

87.83
0

400
86.15
0

86.01
0

85.98
0

86.01
0

450
85.74
0

85.40
0

86.17
0

86.35
0

500
85.27
0

85.13
0

85.57
0

85.91
0

550
84.08
0

84.49
0

85.21
0

84.63
0

600
83.30
0

83.92
0

84.56
0

84.76
0

650
83.59
0

82.47
0

83.32
0

83.78

0

700
82.13
0

82.14
0

82.53
0

82.66
0

750
80.12
0

80.71
0

80.40
0

81.61
0

800
78.12

0

79.01
0

77.44
0

79.48
0

850
74.64
0

76.19
0

74.64
0

76.45
0

900
70.86
0

70.52
0

70.79
0

73.06
0

950
66.32
0

64.82
0

66.54
0

70.19
0


Dữ liệu thu thập được trong Bảng 2.1 cho thấy khi thả robot ngã tự do từ vị trí
cân bằng là 88
0
(đây là góc nghiêng tại vị trí cân bằng thu được từ cảm biến trên mô
hình thực tế, góc này sai lệch so với góc nghiêng lý tưởng do giới hạn về cơ khí của
mô hình) đến góc nghiêng giới hạn 88 ± 20
0
trong khoảng thời gian trung bình là
950 ms, đây cũng là giá trị thời gian giới hạn cần thiết để robot di chuyển để giữ

được cân bằng.
Giả sử chọn bánh xe có bán kính là 5cm và moment xoắn của động cơ là 63
Ncm thì lực đẩy sẽ được tính theo công thức sau:
 





  (2.2)
Suy ra vận tốc cần thiết của động cơ:
 








 (2.3)
Công suất động cơ được tính theo công thức:
      (2.4)
10


Dựa vào các giá trịnh tính toán, thông số của động cơ được chọn như trong
Bảng 2.2 để đáp ứng các yêu cầu trên.
Bảng 2.2 Chọn động cơ với các thông số
Động cơ

DC planet
Công suất
60W
Moment xoắn
63 N.cm
Tốc độ chưa qua bộ giảm tốc
9000 vòng/phút
Tốc độ khi đã qua bộ giảm tốc
468 vòng/phút

2.3 Mô hình robot hai bánh thực tế
Đề tài sử dụng bo mạch Arduino Due AT91SAM3X8E đóng vai trò như “bộ
não” của robot, điều khiển cho robot giữ cân bằng. Khung robot được chế tạo từ
inox với hai động cơ DC được đặt đồng trục, cho phép robot có thể di chuyển được
theo hai hướng trước và sau. Hai động cơ được điểu khiển bởi hai mạch cầu H sử
dụng IC IR2184 để điều khiển kích FET, cảm biến IMU GY-86 được sử dụng để
xác định góc nghiêng của robot. Hai động cơ DC 24V, 60W tốc độ 468 vòng/phút,
encoder 500 xung/vòng. Hai bánh xe được bọc cao su có nhiều rãnh để tăng độ bám
cao giúp robot cân bằng tốt hơn.
Cảm biến
IMU GY-86
Mạch điều khiển
động cơ cầu H
Bo Arduino Due
AT91SAM3X8E
Nút nhấn
điều khiển
Pin Li-PO
550 mm
450 mm

Động cơ DC

Hình 2.4 Mô hình robot hai bánh tự cân bằng
11


2.4 Hệ thống điện trên mô hình robot
2.4.1 Mạch điều khiển Arduino Due
Arduino Due là bo mạch sử dụng vi điều khiển của hãng Atmel SAM3X8E
ARM Cortex-M3 CPU. Đây là bo Arduino đầu tiên dựa trên bộ vi điều khiển lõi
ARM 32-bit. Bo Arduino Due có 54 ngõ vào/ngõ ra là tín hiệu số (trong đó có 12
chân có thể xuất tín hiệu PWM), 12 chân ngõ vào analog và 2 chân ngõ ra DAC,
xung nhịp 84 MHz, một cổng kết nối USB OTG, jack nguồn, nút nhấn reset CPU và
các cổng giao tiếp đa dạng như: 4 UART, SPI, TWI (I
2
C) và JTAG.
Bo Arduino Due có thể được cấp nguồn và nạp chương trình từ máy tính
thông qua cáp USB hoặc sử dụng nguồn cấp từ adapter với điện áp từ 7 đến
12VDC.

Hình 2.5 Bo Arduino Due AT91SAM3X8E
 Thông số kỹ thuật bo Arduino Due AT91SAM3X8E
Bảng 2.3 Thông số kỹ thuật bo Arduino Due AT91SAM3X8E

Microcontroller
AT91SAM3X8E
Operating Voltage
3.3V
Input Voltage (recommended)
7-12V

Input Voltage (limits)
6-16V
Digital I/O Pins
54 (of which 12 provide PWM output)
Analog Input Pins
12
Analog Outputs Pins
2 (DAC)
Total DC Output Current on all
130 mA
12


DC Current for 3.3V Pin
800 mA
DC Current for 5V Pin
800 mA
Flash Memory
512 KB all available for the user applications
SRAM
96 KB (two banks: 64KB and 32KB)
Clock Speed
84 MHz

2.4.2 Mạch điều khiển động cơ
Mạch cầu H dùng IC kích FET chuyên dụng IR2184 cho phép điều khiển động
cơ với dòng liên tục 10A và dòng tức thời lên đến 30A. Mạch này được thiết kế
dành cho các ứng dụng điều khiển tốc độ và vị trí cho động cơ DC.

Hình 2.6 Mạch điều khiển động cơ cầu H

 Đặc tính kỹ thuật của mạch:
 Dòng liên tục 10A
 Dòng đỉnh 30A (200 ms)
 Điện áp cấp từ 24V
 Có Led báo nguồn cho mạch
 Có Led báo chiều động cơ
 Bảo vệ ngắn mạch
 Dùng IC kích FET chuyên dụng IR2184


13


2.4.3 Cảm biến IMU GY-86
Cảm biến IMU GY-86 bao gồm các cảm biến đo lường quán tính như: cảm
biến vận tốc góc (gyroscope) 3 trục, cảm biến gia tốc (accelerometer) 3 trục, cảm
biến từ trường (magnetometer) 3 trục và cảm biến áp suất không khí (barometer).
Mô đun này được sử dụng nhiều trong việc điều khiển các thiết bị vận hành tự động
cần định hướng như: robot tự hành, UAVs (thiết bị bay không người lái), robot và
xe hai bánh tự cân bằng hoặc các hệ thống cân bằng khác…
Các cảm biến trên mô đun hỗ trợ giao tiếp I
2
C với tốc độ lên tới 400kb/s và
hoạt động ở mức áp 3.3V. Mô đun được thiết kế tích hợp sẵn IC chuyển áp tín hiệu
và IC ổn áp LDO 3.3V, qua đó hoàn toàn tương thích với hệ thống ngoài với điện
áp là 3.3V hoặc 5V.

Hình 2.7 Cảm biến IMU GY-86
 Các thông số kỹ thuật của cảm biến IMU GY-86
 Nguồn cung cấp 3.3V - 5V

 Giao tiếp I
2
C ở mức 3.3V
 Sử dụng chip MPU6050 + HMC5883L + MS5611
2.4.4 Động cơ DC
Động cơ DC được sử dụng như đôi chân của robot giúp robot có thể di chuyển
hay điều khiển robot cân bằng.
14



Hình 2.8 Động cơ DC Planet
 Các thông số kỹ thuật của động cơ DC
Bảng 2.4 Thông số kỹ thuật của động cơ DC Planet
Động cơ
DC planet
Điện áp
24V
Công suất
60W
Moment xoắn
63 N.cm
Endcoder
HEDL 5540 12
Kích thước

Trục

Tốc độ chưa qua bộ giảm tốc
9000 vòng/phút

Tốc độ khi đã qua bộ giảm tốc
468 vòng/phút

2.4.5 Nguồn điện
Pin LI-PO được sử dụng làm nguồn cung cấp năng lượng cho robot hoạt động.

15



Hình 2.9 Pin LI-PO sử dụng cho robot
 Thông số kỹ thuật của Pin LI-PO
 Công suất tối thiểu: 2650mAh
 Cấu hình: 3S1P / 11.1V / 3Cell
 Xả liên tục: 20C
 Đỉnh xả (10 giây): 30C
 Trọng lượng: 225g
 Kích thước: 137 x 43 x 17mm
 Jack cắm: JST-XH
2.5 Các phương thức giao tiếp
2.5.1 Điều chế độ rộng xung PWM
Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM (PulseWidth Modulation) là
phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải, hay nói cách khác là phương pháp điều chế
dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông dẫn đến sự thay đổi điện áp ngõ
ra.
Các tín hiệu PWM khi biến đổi thì có cùng một tần số và khác nhau về độ
rộng của sườn dương hay sườn âm.