Thiết kế xe hai bánh tự cân bằng dùng phương pháp PID Backstepping :Báo cáo tổng kết đề tài Khoa học và Công nghệ cấp trường

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG

THIẾT KẾ XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG DÙNG

PHƯƠNG PHÁP PID BACKSTEPPING

Mã số: 08012

Chủ nhiệm đề tài: ThS.Nguyễn Ngọc Sơn

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 10 năm 2013

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG

THIẾT KẾ XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG DÙNG

PHƯƠNG PHÁP PID BACKSTEPPING

Mã số: 08012

Chủ nhiệm đề tài

(ký, họ tên)

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 10 năm 2013

Đề tài KHCN cấp Trường

ThS. Nguyễn Ngọc Sơn Khoa Công Nghệ Điện Tử

i

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin trân trọng cảm ơn lãnh đạo Khoa Công Nghệ Điện Tử, Bộ Môn Điện Tử -

Tự Động và các đồng nghiệp đã cung cấp tài liệu và đóng góp ý kiến cho việc thực

hiện đề tài nghiên cứu khoa học này.

Đề tài KHCN cấp Trường

ThS. Nguyễn Ngọc Sơn Khoa Công Nghệ Điện Tử

ii

MỤC LỤC

Danh mục các hàm, ký hiệu, từ viết tắt ..................................................................... iv

Danh mục các hình vẽ, đồ thị, bảng biểu .................................................................. iv

Thông tin kết quả nghiên cứu ................................................................................... vii

Chương 1: Tổng Quan ....................................................................................... 1

1.1. Đặt vấn đề ........................................................................................................... 1

1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu ......................................................................... 2

1.2.1. Xe hai bánh tự cân bằng ....................................................................................... 2

1.2.2. Robot hai bánh tự cân bằng ................................................................................. 5

1.2.3. Các bài báo nghiên cứu khoa học có liên quan .............................................. 6

1.3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu, cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ..... 7

1.4. Nội dung nghiên cứu ........................................................................................... 7

1.5. Tóm tắt nội dung các chương ............................................................................. 8

Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết ................................................................................... 9

2.1. Tìm hiểu xe hai bánh tự cân bằng ....................................................................... 9

2.2. Lý thuyết điều khiển phi tuyến ......................................................................... 10

2.2.1. Lý thuyết ổn định Lyapunov ............................................................................. 10

2.2.2. Phương pháp backstepping ................................................................................ 12

Chương 3: Mô Hình Hóa Đối Tượng Và Thiết Kế Bộ Điều Khiển ................. 17

3.1. Mô hình hóa đối tượng ..................................................................................... 17

3.1.1. Phương trình động lực học đối tượng ............................................................. 17

3.1.2. Mô phỏng kiểm chứng mô hình ....................................................................... 23

3.2. Thiết kế bộ điều khiển ...................................................................................... 25

3.2.1. Bộ điều khiển cân bằng ...................................................................................... 26

3.2.2. Điều khiển quay trái, phải .................................................................................. 39

3.2.3. Kết hợp bộ điều khiển cân bằng và bộ điều khiển quay trái, phải .......... 42

Chương 4: Mô Hình Thực Nghiệm Xe Hai Bánh Tự Cân Bằng ...................... 44

4.1. Mô hình cơ khí .................................................................................................. 44

Đề tài KHCN cấp Trường

ThS. Nguyễn Ngọc Sơn Khoa Công Nghệ Điện Tử

iii

4.1.1. Sơ đồ cấu trúc cơ khí........................................................................................... 44

4.1.2. Động cơ BLDC ..................................................................................................... 45

4.1.3. Hình ảnh mô hình thực ....................................................................................... 50

4.2. Các mạch điện tử .............................................................................................. 51

4.2.1. Mô đun điều khiển trung tâm ............................................................................ 51

4.2.2. Mô đun điều khiển động cơ BLDC ................................................................. 51

4.2.3. Mô đun HMI .......................................................................................................... 55

4.2.4. Mô đun nguồn ....................................................................................................... 56

4.2.5. Mô đun cảm biến .................................................................................................. 58

Chương 5: Xây Dựng Bộ Điều Khiển Trên Mô Hình Thực .............................. 59

5.1. Giải thuật điều khiển ......................................................................................... 59

5.1.1. Mô đun điều khiển trung tâm ............................................................................ 59

5.1.2. Mô đun Slave ........................................................................................................ 59

5.2. Thiết kế mạng truyền thông CAN .................................................................... 62

5.3. Bộ lọc Kalman .................................................................................................. 63

5.3.1. Giải thuật bộ lọc Kalman ................................................................................... 63

5.3.2. Kết quả đo góc nghiêng trên mô hình thực ................................................... 66

5.4. Kết quả điều khiển thực nghiệm ....................................................................... 67

5.2.1. Xe đang đứng yên cân bằng ............................................................................ 67

5.2.2. Quá trình khởi động ........................................................................................... 69

5.2.3. Xe chạy tới trước, lùi ra sau ............................................................................ 70

Chương 6: Kết Luận và Kiến Nghị ....................................................................... 73

6.1. Kết luận ............................................................................................................. 73

6.1.1. Kết quả đạt được .................................................................................................. 73

6.1.2. Hoạt động bồi dưỡng, đào tạo .......................................................................... 73

6.2. Một số hạn chế .................................................................................................. 74

6.3. Kiến nghị ........................................................................................................... 74

Tài Liệu Tham Khảo ................................................................................................. 75