Thiết kế hệ thống con lắc ngược

1


LỜI NÓI ĐẦU
Hệ thống con lắc ngược là một hệ thống điều khiển kinh điển, nó được sử dụng
trong giảng dạy và nghiên cứu ở hầu hết các trường đại học trên khắp thế giới.
Hệ thống con lắc ngược là mơ hình phù hợp để kiểm tra các thuật tốn điều
khiển hệ phi tuyến cao trở lại ổn định. Đây là một hệ thống simo (single input
multi output) điển hình vì chỉ gồm một ngõ vào là lực tác động cho động cơ mà
phải điều khiển cả vị trí và góc lệch con lắc ngược sao cho thẳng đứng (ít nhất
hai ngõ ra). Ngồi ra, phương trình tốn học được đề cập đến của con lắc ngược
mang tính chất phi tuyến điển hình. Vì thế, đây là một mơ hình nghiên cứu lý
tưởng cho các phịng thí nghiệm điều khiển tự động. Các giải thuật hay phương
pháp điều khiển được nghiên cứu trên mơ hình con lắc ngược nhằm tìm ra các
giải pháp tốt nhất trong các ứng dụng điều khiển thiết bị tự động trong thực tế:
điều khiển tốc độ động cơ, giảm tổn hao công suất, điều khiển vị trí, điều khiển
nhiệt độ, điều khiển cân bằng hệ thống,… Thực hiện đề tài “thiết kế mơ hình cân
bằng con lắc ngược” là rất cần thiết cho vấn đề giảng dạy và nghiên cứu thời
điểm hiện tại. Vì đây là một mơ hình rất điển hình cần phải có ở bất kỳ một
trường đại học, cao đẳng nào theo hướng chuyên ngành kỹ thuật tại việt nam,
nhất là ngành điều khiển tự động hóa, điện cơng nghiệp, cơ điện tử… việc xây
dựng mơ hình sẽ giúp ích cho cơng tác giảng dạy trực quan hơn, dễ dàng kiểm
chứng với các giải thuật điều khiển trên lý thuyết, là cơ sở nghiên cứu khoa học
cho cả giảng viên và sinh viên.

2


CHƯƠNG 1 PHÂN TÍCH NHIỆM VỤ THIẾT KẾ
1.1 PHÂN TÍCH NHU CẦU THỊ TRƯỜNG

1.1.1 Nhu cầu thị
trường
Mơ hình con lắc ngược là một
Trào lưu sử dụng xe tự cân bằng thông minh đang tạo cơn sốt trên thị
trường Việt Nam , đầu tiên ở Hà Nội , tp HCM sau đó phát triển mạnh mẽ ra các
tỉnh , thành phố trên toàn quốc .
Với nhiều ưu điểm như dễ sử dụng, không gây tiếng ồn, tạo cho bạn cảm
giác như đang lướt đi,... xe tự cân bằng đã trở thành một trào lưu trong giới trẻ.
Bạn có thể dễ dàng bắt gặp hình ảnh các bạn trẻ sử dụng xe tự cân bằng ở các
khu vui chơi, phố đi bộ, trung tâm thương mại,...Với đặc điểm là một nước có
dân số trẻ, năng động nên một sản phẩm công nghệ như xe tự cân bằng rất được
đón nhận. Hơn nữa nước ta đang trong q trình cơng nghiệp hố, hiện đại hố
chú trọng phát triển khoa học, cơng nghệ và xe tự cân bằng cũng là một sản
phẩm tiêu biểu của hệ thống tự cân bằng, là sản phẩm được sinh viên các ngành
kỹ thuật sử dụng để nghiên cứu, học tập. Vì vậy nhu cầu của thị trường Việt
Nam là tương đối lớn. Ngày cáng có nhiều sản phẩm xe tự cân bằng ra mắt với
nhiều mẫu mã, màu sắc khác nhau
1.1.2 Nhu cầu thực
tế
Từ những phân tích trên nhóm đã tiến hành khảo sát
Phiếu khảo sát

3


4


5

Danh sách người tham gia khảo sát
ST
Họ và Tên
T
1
Lê Văn Hùng
2
Hoàng Duy Khánh
3
Nguyễn Ngọc Nam
4
Lê Thị Anh
5
Nguyễn Như Ngọc
6
Nguyễn Thanh Tâm
7
Hoàng Khánh Ngọc
8
Nguyễn Văn Duy
9
Hoàng Quốc Trường
10
Lê Duy Anh
11
Vũ Đức Minh
12
Nguyễn Thị Quỳnh
13

Đỗ Minh Phương
14
Mai Thị Giang
Kết quả khảo sát

Nghề nghiệp
Kỹ sư
Sinh viên
Nhân viên văn phòng
Học sinh
Tự do
Sinh viên
Sinh viên
Nhân viên văn phòng
Kỹ sư
Tự do
Học sinh
Học sinh
Sinh viên
Sinh Viên

6

Nơi sống
Hà Nội
Hải Phịng
Hà Nội
Tp Hồ Chí Minh
Đà Nẵng
Bắc Ninh

Tp Hồ Chí Minh
Tp Hồ Chí Minh
Hà Nội
Hải Phịng
Tp Hồ Chí Minh
Tp Hồ Chí Minh
Đà Nẵng
Hải Phịng


7


Theo như số liệu khảo sát cho thấy hiện nay ở Việt Nam xe tự cân bằng phần lớn
vẫn được sử dụng như một món đồ chơi cơng nghệ. Tuy nhiên xe tự cân bằng có
rất nhiều ứng dụng, trong tương lai gần xe sẽ được sử dụng vào nhiều mục đích
khác nhau như để di chuyển trong một số không gian nhất định, hoặc sử dụng
như một phương tiện cá nhân. Như ở Trung Quốc, nhiều người đã sử dụng xe tự
cân bằng để di chuyển tới ga tàu điện ngầm, hoặc tại Hà Nội có người đã sử
dụng để giao phở

1.1.3 Một số sản
phẩm hiện có
trên thị trường
ST
T
1

Hãng sản phẩm

Thơng số kỹ thuật

Giá thành(đ)

Xiaomi Ninebot Plus

Kích thước: chiều rộng
57.7cm, chiều dài:28cm
Chịu sức tải <=100kg
Tính năng:điều khiển xe
từ xa, thiết lập tính năng

12.200.000

8


2

Smart Blance Wheel

3

X-Hector

4

X-Giant

5

X-Thunder

6

Mini robot

tự đi theo, chức năng
tải, kết nối bluetooth với
điện thoại,sử dụng
LED,…
Kích thước: chiều rộng
34.6cm, chiều dài:26cm
Chịu sức tải <=150kg
Tính năng:vận tốc đạt
được 15-20km/1 lần
sạc, kết nối bluetooth
với điện thoại…
Kích thước: chiều rộng
42.2cm, chiều dài:30cm
Chịu sức tải <=120kg
Tính năng:Vật liệu làm
bằng caosu,động cơ đạt
chuẩn với 250W,chạy 23h/1 lần sạc,kết hợp loa
mini với thiết bị thơng
minh,…
Kích thước: chiều rộng
38.6cm, chiều dài:24cm
Chịu sức tải <=110kg
Tính năng: Đạt tốc độ

tối đa với động cơ
350W, sử dụng cảm
biến điện tử kết hợp hỗ
trợ bluetooth,…
Kích thước: chiều rộng
44.6cm, chiều dài:29cm
Chịu sức tải <=100kg
Tính năng: cơng xuất
động cơ lên đến 700W,
có hỗ trợ đèn báo hiệu
của pin và nguồn khi xe
hoạt động,…
Kích thước: chiều rộng
37.6cm, chiều dài:26cm
Chịu sức tải <=125kg
Tính năng:có cần điều
khiển xe,có kết nối hệ
thống Bluetooth với
điện thoại,…
9

3.740.000

5.200.000

7.500.000

6.500.000

7.500.000

10


1.2 THIẾT LẬP DANH SÁCH YÊU CẦU

Ban hành ngày:05/04/2021
Phân loại

Người
sử
dụng

Danh sách yêu cầu cho dự án thiết kế con lắc ngược kiểu
quay một bậc tự do

Nhận dạng

Nhữn
g thay
đổi

Yêu cầu

Chịu trách
nhiệm

- Khối lượng tổng thể của hệ thống 5kg.
- Con lắc:

+ Thanh kim loại hình trụ đồng chất, đường
kính 2 cm, dài 30÷40cm
+ Khối lượng: 0.1÷0.3kg

11

Nhóm thiết kế 19
chịu trách nhiệm

05/04/2021

CƠ KHÍ

Trang:


CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ SƠ BỘ
2.1 XÁC ĐỊNH CÁC VẤN ĐỀ CƠ BẢN

Kết quả từ bước 1 (tìm hiểu thị trường) và bước 2 (thiết lập danh sách
yêu cầu) ở nội dung 1:
-

-

Kích thước phải phù hợp để dễ dàng di chuyển, có thể lắp đặt dễ dàng.
Vật liệu làm phải bền, phổ biến, chống gỉ.
Độ an toàn phải được đảm bảo.
Phải dễ dàng lắp ráp.
Giá thành phải hợp lí dưới 5 triệu đồng

Thiết bị cảm biến có thể nhận biết chính xác và nhanh nhạy để đo góc
lệch con lắc.
Mạch điều khiển: Giá thành rẻ nhỏ hơn 300.000 đ, Có đầy đủ chức
năng của một vi điều khiển, giá thành hợp lí, có thể thiết lập giao tiếp
với matlab/Simulink.
Mạch công suất: ổn định
Phải đảm bảo độ bền cho các cảm biến trong q trình hoạt động.
Về tính thẩm mĩ phải bắt mắt, thiết kế đơn giản để dễ dàng bảo trì, vật
liệu phải thân thiện có thể tái chế.

12


2.2 THIẾT LẬP CẤU TRÚC CHỨC NĂNG
Cấu trúc tổng thể:

Chức năng con

13


2.3 PHÁT TRIỂN CẤU TRÚC LÀM VIỆC
ST
T
Kích thước

1

2

Trọng
lượng

1

2

3

Chiều dài con lắc :
0.5m
Chiều dài thanh cố
định 0.4 m , hình trụ
Bệ đỡ (giá gá động
cơ) 0.5x0.5m có 4
chân cao 0.6m

Chiều dài con lắc : 0.4m
Thanh cố định: dạng
hình chữ L ( 0.2x0.3 m)
Giá gá động cơ: cao
20cm
Bệ đỡ dạng tấm
0.4x0.4m dày 0.04m

Chiều dài con lắc : 0.5m
Thanh cố định dạng
hình chữ L ( 0.3x0.4m)
Giá gá động cơ: cao 0.2
m

Bệ đỡ: 0.4x0.4x0.04m

6kg

4 kg

4 kg

Vật liệu

Con lắc, thanh cố
định: nhôm
Bệ đỡ : gỗ

Con lắc, thanh cố định:
nhôm
Bệ đỡ : nhiều tấm thép
được ghép lại với nhau,
có sơn cách điện

Con lắc, thanh cố định
nhơm
Bệ đỡ : gỗ

Nguồn

Sử dụng bộ truyển
đổi 220v thành 12v

Sử dụng nguồn tổ ong

Nguồn tổ ong

Động cơ DC công
suất 4W

Motor DC công suất
5W

Động cơ DC công suất
8W

Điều khiển sớm trễ
pha

Bộ điều khiển PID

Điều khiển trượt

8

Cơng suất
động cơ
Tốc dộ
quay động
cơ
Thuật tốn
điều khiển

Mạch cầu H

Mạch cầu H

Mạch cầu H

9

Mạch cơng
suất

10

Cảm biến
góc quay

3

4
5
6

Mạch điều
khiển
11

1200v/ph

1200v/ph

1200v/ph

Biến trở

Encoder tuyệt đối

Encoder tương đối

Sừ dụng vi điều
khiển
stm32f103c8t6(vđk
32bit, tốc độ tối đa
là 72Mhz )

Arduino Mega2560

Arduino Mega2560

14


2.4 LỰA CHỌN CẤU TRÚC LÀM VIỆC

Giải pháp
Kích thước

1
0

2
1

3
1

Yêu cầu
Nhỏ nhẹ, phù
hợp, chắc chắn

Bệ đỡ

1

0

1

Chắc chắn, cách
điện, đảm bảo
tính ổn định khi
con lắc hoạt động

Con lắc

0

1

1

Thẳng dài, trọng

lượng vừa phải

Motor

1

1

0

Tốc độ quay ổn
định

Vi điều khiển

1

1

1

Tính tốn chính
xác, nhanh nhạy

Encoder

1

1

0

Đo góc chính
xác, giá thành rẻ

Nguồn

0

1

1

Phù hợp với cơng
suất tiêu thụ
mạch

Tổng

4

7

6

Xếp hạng

3

1

2

15


CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ CỤ THỂ
3.1 XÂY DỰNG CÁC BƯỚC THIẾT KẾ CỤ THỂ

3.1.1 Nhận

diện

phương án, xác
định các yêu cầu
và làm rõ các
ràng

buộc

không gian
3.1.1: Xác định bố cục
-

Phạm vi hoạt động 0.6m2

-

Có bệ đỡ hình vng 0.4x0.4x0.04m

-

Chiều dài con lắc 40cm

-

Đường kính con lắc 2cm

-

Có cần quay: dạng chữ L ( 0.2x0.3)

3.1.2:Xác định kích thước:
-

Chuyển động quay với góc quay với sai số <5%

-

Sai số xác lập 5%-7%

-

Thời gian xác lập 3.0 – 4.5s

-

Độ vọt lố 5%- 7%

-

Khối lượng của con lắc 100g, để hệ thống ổn định

-

Vât liệu đễ tim kiếm trên thị trường, không gỉ sét

-

Tiêu thụ nguồn 12v

3.1.3: Xác định vật liệu:
-

Bệ đỡ: Gỗ

-

Con lắc và cần quay:nhôm.

3.1.4: Những yêu cầu khác:
-

Các bộ phận thiết bị trong hệ thống phải đạt tiêu chuẩn

-

Dễ dàng lắp đặt và tháo rời.
16

về


-

Sản xuất và được thử nghiệm tính ổn định.

3.1.2 Xác
phương án
Xác định các bộ phận thực hiện chức năng chính:
 Các bộ phận thực hiện chức năng chính:
-

Encoder

-

Motor

 Các bộ phận thực hiện chức năng chính khác là:
-

Bộ nguồn

-

Mạch điều khiển

-

Con lắc

-

Bệ đỡ

17

định


3.2 TÍCH HỢP HỆ THỐNG

3.2.1 Checklist cho
thiết kế cụ thể
Mức độ đánh giá
Tốt
Chức năng
chính

Khung, giá đỡ: đảm bảo hệ thống hoạt
động ổn định
Vi xử lý: đảm bảo các nhu cầu về xử lý
tín hiệu

Encoder: Độ chính xác và độ nhạy cao
Motor: Hoạt động ổn định,
Mạch cầu H:
Chức năng phụ Nguồn 12v: cung cấp điện áp cho hệ
thống

Nguyên tắc làm Đo vị trí góc quay và điểu chỉnh vị trí
việc
con lắc
Tính ổn đinh của Tín hiệu góc quay từ
cảm biến đên vi điều khiển xử lý tín
hiệu điều chỉnh góc quay
Bố cục tổng thể Độ bền cho phép : chịu được tải trọng
20N
Độ cứng : 0.2- 0.25N/mm2
Độ biến dạng cho phép : 45Mpa
An tồn
Phần giá, bệ đỡ đảm bảo cách điện
Khơng gian làm việc của hệ thống
Công thái học
Yếu tố gây nguy hiểm đến người dùng
như nhiệt điện, các góc cạnh nhọn đã
được bo lại… Hình dạng, kiểu dáng,
màu sắc ưa nhìn.
Vị trí sắp xếp độ chắc chắn của các
liên kết trong hệ thống
Sản xuất và
Giá thành Vật liệu sử dụng trong hệ
kiểm soát chất thống
lượng
Kiểm tra định kỳ trong quá trình vận
hành để đảm bảo chất lượng của sản
phẩm.
18

Lắp ráp và vận
chuyển

Vận hành và
bồi dưỡng
Tái chế
Chi phí

Lịch trình

Các thiết bị có hoạt động
Lắp ráp đơn giản,chặt chẽ,gọn gàng.
Đảm bảo được an tồn và bảo mật khi
vận chuyển, có sử dụng các vật liệu
chống va đập để giữ cho sản phẩm
không bị hư hại.
Hệ thống hoạt động dễ dàng
Bảo dưỡng định kỳ hệ thống(bộ phận
xử lý tín hiệu, bộ phận truyền động
Sử dụng nhựa PE có khả năng tái chế
Mạch vi xử lý motor có khả năng tái
chế
Chi phí thiết kế, sản xuất, lắp ráp, vận
chuyển… đã nằm trong nguồn kinh phí
cho phép.
Có phát sinh thêm chi phí phụ trong
q trình sản xuất nhưng đã được kiểm
sốt.
Thời gian thiết kế và sản xuất thiết kế
đảm bảo đúng tiến độ

19


3.3 PHÁC THẢO SẢN PHẨM

20


21


22


23