1

Chương 1
TỔNG QUAN
1.1 Mục tiêu đề tài
Xe hai bánh tự cân bằng là một loại phương tiện di chuyển cá nhân thông
minh, với hệ thống điều khiển hiện đại, hiện nay đang được sử dụng phổ biến tại
một số nước phát triển. Mục tiêu của đề tài là “ thiết kế và chế tạo xe hai bánh tự
cân bằng” với các ưu điểm như di chuyển linh hoạt, điều khiển dễ dàng, chiếm ít
không gian và không sinh ra khí thải trong quá trình vận hành gây ô nhiễm môi
trường, phục vụ cho nhu cầu di chuyển cá nhân tại tại các thành phố lớn, khu
thương mại, siêu thị, sân bay, viện bảo tàng…Xe được thiết kế với hai bánh xe đặt
song song nhau giúp xe có thể dễ dàng di chuyển trong không gian hẹp mà không
gặp trở ngại như các loại phương tiện khác [2].
1.2 Giới hạn của đề tài
Trọng tâm của đề tài là xây dựng giải thuật điều khiển xe di chuyển cân bằng
dựa trên thuật toán PID. Xe được thiết kế chủ yếu để di chuyển trên địa hình phẳng,
không gồ ghề, mặt đường có độ dốc nhỏ hơn 15
o
. Tải trọng được thiết kế phù hợp
với thể trạng của người Việt Nam không vượt quá 120 kg.
1.3 Phương pháp tiếp cận đề tài
Đề tài được tiếp cận dựa trên những phương pháp sau:
 Phương pháp khảo sát tài liệu, tìm hểu các tài liệu liên quan đến đề tài như
kỹ thuật lập trình vi điều khiển, thuật toán điều khiển PID, bộ lọc Kalman, robot và
xe hai bánh tự cân bằng.
 Phương pháp khảo sát các mô hình robot tự cân bằng và xe tự cân bằng đã
được nghiên cứu trong nước và trên thế giới.
 Phương pháp thực nghiệm tiến hành xây dựng mô hình xe, xây dựng thuật
toán điều khiển, thử nghiệm trên mô hình thực tế.
2

 Tải trọng: người điều khiển nặng 250 pound (110kg) và hàng hóa nặng
75 pound (34kg).
 Phạm vi: di chuyển khoảng 17 dặm (28 km) với một lần sạc.
 Giao diện hiển chế độ hoạt động: Segway có màn hình LCD cung cấp
thông tin về năng lượng, thông báo chế độ hoạt động và tình trạng lỗi
nếu xe có sự cố.
 Ở Việt Nam xe Segway được bán với giá khoảng 6000 USD.
1.4.1.2 Balancing scooter
Xe scooter được Trevor Blackwell chế tạo ra dựa trên những nguyên lý cơ bản
như xe Segway. Xe scooter tự cân bằng này được chế tạo từ động cơ xe lăn và pin
dùng cho xe mô hình. Các bộ phận được chế tạo theo module có giá thành thấp hơn
phân nửa xe của hãng Segway. Xe không cần phần mềm thực thi cao cấp hay phức
tạp. Phiên bản đầu tiên được viết bằng ngôn ngữ Python.
4 Hình 1.2 Tác giả Trevor Blackwell và xe scooter
1.4.2 Tình hình nghiên cứu trong nước
Chế tạo xe hai bánh tự cân bằng là một đề tài rất hấp dẫn và lôi cuốn nhiều kỹ
sư những người đam mê khoa học, công nghệ. Tại Việt Nam cũng có nhiều tác giả
thực hiện đề tài đề tài này như luận văn thạc sĩ robot hai bánh tự cân bằng của tác
giả Nguyễn Gia Minh Thảo, Dương Hoài Nghĩa, Nguyễn Hữu Phúc trường đại học
Bách Khoa Tp.HCM (10/2010). Đề tài này đã thực hiện thành công việc mô phỏng
và thực nghiệm robot hai bánh tự cân bằng với bộ điều khiển Backstepping có đáp
ứng nhanh, khả năng giữ thăng bằng tốt và khả năng ổn định trước tác động của
nhiễu loạn.
5 Hình 1.3 Robot hai bánh tự cân bằng của Nguyễn Gia Minh Thảo.

7

Về lý thuyết tác giả đã tiếp cận từ mô hình tương đương – mô hình con lắc
ngược đến mô hình thật của xe hai bánh tự cân bằng. Mô phỏng mô hình bằng VN
Nastran và MatLAB cho xe tự cân bằng trên hai bánh. Tiếp cận mô hình thực tế,
thiết kế khung sườn board mạch điện và lập trình vi điều khiển.
Những kết quả đã đạt được của tác giả:
 Thiết kế hoàn chỉnh mô hình xe.
 Thiết lập mô hình trạng thái và xây dựng thuật toán cho xe.
 Xây dựng mô hình mô phỏng bằng Visual Nastran và MatLAB-
Simulink.
 Hoàn thành hệ thống mạch điện hoàn chỉnh cho xe hoạt động, vận
hành tốt.
 Thiết lập moldule lọc Kalman cho cảm biến đo góc.
 Mô hình hoàn chỉnh có thể di chuyển trên địa hình phẳng, đường đi
thẳng và có thể quẹo với góc rất nhỏ.
Những mặt giới hạn của đề tài vẫn còn chưa hoàn thiện được:
 Không thiết kế được mạch MOSFET đủ lớn để xe có thề di chuyển
nhanh và những bề mặt có độ dốc lớn.
 Việc quẹo trái phải của xe chưa tốt còn rất hạn chế làm xe chưa thể
lưu thông tốt trên đường.
 Khối lượng xe nặng hơn dự kiến cần phải giảm bớt.
 Chưa thiết kế cấu trúc khép kín cho xe, nên xe không thể vận hành
được khi trời mưa hoặc vượt qua những vũng nước trên đường.

Đề tài của tác giả Phan Ngọc Anh Tùng sinh viên trường đại học Bách Khoa
Tp.HCM (2011).
Với phương pháp khảo sát tìm hiểu kỹ về kết cấu cơ khí, tham khảo tài liệu
có liên quan và xác định nhiệm vụ trọng tâm của đề tài là phải nghiên cứu bộ lọc
thích nghi Kalman (kết hợp tín hiệu từ cảm biến gyro và accelerometer để tính toán

dụng trên xe hai bánh tự cân bằng và kết quả cuối cùng trên mô hình xe
thực tế.
Chương 5: Kết luận
Chương 5 trình bày tóm tắt những kết quả đạt được của đề tài và
hướng phát triển của đề tài trong tương lai, chỉ ra hướng khắc phục những
giới hạn mà đề tài còn mắc phải nhằm hoàn thiện đề tài tốt hơn. 10

Chương 2
KẾT CẤU CƠ KHÍ VÀ THIẾT KẾ HỆ
THỐNG ĐIỆN
2.1 Mô hình cơ khí
Mô hình cơ khí của xe được thiết kế gồm bốn phần chính: khung xe, cần điều
khiển, cơ cấu truyền động giảm tốc và bánh xe.
Tay cầm
Cần điều khiển
Bánh xe
Động cơ
Bánh xe

Khớp xoay gồm hai gối đỡ loại (UCP304) dùng để cố định cần điều khiển
vào sườn xe, gối đỡ có ổ bi giúp cần điều khiển có thể xoay trái, xoay phải một cách
linh hoạt đồng thời khóa hai hướng tới, lùi của cần lại để khi nghiêng cần về phía
trước hoặc ra phía sau thì sườn xe cũng nghiêng theo phục vụ cho việc điều khiển di
chuyển của xe.

Hình 2.4 Khớp xoay và gối đỡ của cần điều khiển
Để cần điều khiển luôn ở vị trí thẳng đứng hoặc tự trả về vị trí thẳng đứng hai
lò xo kéo được gắn hai bên cần điều khiển, độ căng của lò xo phải vừa đủ để khi gạt
sang hai bên thì cần gạt luôn trả về vị trí ban đầu.
Tín hiệu điều khiển được truyền về mạch điều khiển thông qua biến trở. Khi
người điều khiển nghiêng cần sang trái hoặc sang phải thì sẽ tác động làm xoay biến
trở. Giá trị điện áp của biến trở được đưa vào bộ ADC đã được tích hợp sẵn bên
trong vi điều khiển.

Hình 2.5 Biến trở dùng để điều khiển chuyển hướng của xe
2.1.3 Hộp giảm tốc
Lựa chọn hộp giảm tốc phải phù hợp với tốc độ động cơ để có thể đạt được tốc
độ di chuyển mong muốn của xe.
13

Tính toán lựa chọn tỷ số truyền của bộ giảm tốc:
Chọn chu vi bánh xe   vận tốc di chuyển mong muốn của xe   

(km/h). Vận tốc quay của bánh xe được tính theo công thức sau:






Hộp giảm tốc TSUBAKI (TM16E10-1-1) có tỉ số truyền 1:10 được sử dụng
cho cơ cấu truyền động của xe. Loại hộp giảm tốc này được dùng phổ biến trong
cộng nghiệp có độ bền rất cao, thuận lợi cho việc sửa chửa và thay thế, phù hợp với
yêu cầu thiết kế xe.

Hình 2.6 Hộp giảm tốc

14

2.1.4 Bánh xe
Bánh xe được chọn với yêu cầu về khả năng chịu tải khoảng 120 kg bao gồm
phần tải trọng của xe và người điều khiển. Loại bánh xe 100/90/10 được sử dụng
cho thiết kế xe hai bánh tự cân bằng, đây là loại bánh mâm chuyên dùng cho xe máy
với thông số kích thước như sau: 100 là bề rộng của lốp xe được tính bằng mm, 90
là độ cao tính từ vành mâm đến đỉnh của lốp xe nơi tiếp xúc với mặt đường bằng
90% bề rộng của lốp xe, 10 là đường kính của mâm được tính theo đơn vị inch, chu
vi bánh xe 1,362 m.

Hình 2.7 Bánh xe

15

2.2 Hệ thống mạch điện của xe
2.2.1 Sơ đồ khối hệ thống
Cảm biến IMU
Biến trở
Nguồn cung cấp
Bo Arduino Due
AT91SAM3X8E
Mạch điều khiền

IMU (Inertial Measurement Unit) là một thiết bị được tích hợp giữa hai cảm
biến Accelerometer (cảm biến gia tốc) và cảm biến Gyroscope (cảm biến con quay
hồi chuyển) có chức năng cung cấp thông tin về góc quay và độ nghiêng giúp cho
việc giữ thăng bằng của hệ thống tự động như robot vượt địa hình, robot tự cân
bằng, xe tự cân bằng, máy bay…
Cảm biến IMU sử dụng IC tích hợp MPU 6050 bao gồm một cảm biến gia
tốc và một cảm biến con quay hồi chuyển dạng cảm biến vi cơ điện tử (MEMS).
Cấu tạo phần cứng bên trong gồm có bộ chuyển đổi ADC 16 bit cho mỗi kênh với
độ chính xác cao do đó dữ liệu đo thu được từ ba trục x, y và z không bị trễ về mặt
thời gian.
.
Hình 2.10 Sơ đồ kết nối MPU 6050 với board Arduino

17

2.2.4 Mạch điều khiển trung tâm
Mạch điều khiển chính của xe sử dụng board Arduino Due với chip vi điều
khiển SAM3X8E ARM Cortex-M3 CPU của hãng Atmel. Đây là mạch Arduino
đầu tiên dựa trên bộ vi điều khiển lõi ARM 32-bit. Mạch 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 (

) và JTAG.

Hình 2.11 Board Arduino Due

Bảng tóm tắt tính năng, thông số cần quan tâm của board.
Microcontroller

Đặt:
: trong lượng của người điều khiển (80 kg)


: trọng lượng của xe (40 kg)


: bán kính bánh xe (0,217 m)
: lực cản chuyển động
: gia tốc trọng trường (9,81)
: hệ số ma sát trượt (8.10
-4
)


: bán kính ổ trục bánh xe (0,004 m)
: hệ số ma sát lăn (5.10
-4
)


: hệ số ma sát giữa bánh xe và mặt đường (1,3)
Lực cản chuyển động được tính theo công thức (3):
 











(4)





 
 : vận tốc mong muốn 20 km/h


: công suất động cơ di chuyển khi có tải







(5)





 
Như vậy phải chọn loại động cơ có công suất > 79 (W).



I
2
C là viết tắc của từ Inter-Integrated Circuit là một chuẩn truyền thông do
hãng điện tử Philips Semiconductor sáng lập và xây dựng thành chuẩn năm 1990.
I
2
C là một truyền thông nối tiếp đa chip chủ (multi-master serial computer
bus). Khái niệm “multi-master” là trong trên cùng một bus có thể có nhiều hơn một
thiết bị làm Master, đồng thời một Slave có thể trở thành một Master nếu nó có khả
năng. I
2
C được thực hiện trên hai đường SDA (Serial DATA) và SCL (Serial
Clock) trong đó SDA là đường truyền/nhận dữ liệu và SCL là đường xung nhịp.
Căn cứ theo chuẩn I
2
C, các đường SDA và SCL trên các thiết bị có cấu hình “cực
thu để hở” (open-drain hoặc open-collector), nghĩa là cần có các “điện trở kéo lên”
(pull-up resistor) cho các đường này. Ở trạng thái nghỉ, hai chân SDA và SCL ở
mức cao.
22
Hình 2.15 Mạng I
2
C với nhiều thiết bị và 2 điện trở kéo lên cho SDA, SCL

Một số khái niệm và đặc điểm của I

phân giải điện áp hay số bước giá trị điện áp nhỏ nhất mà bộ ADC có thể đọc
được xác định theo công thức:
 




(7)
Trong đó 

là giá trị điện áp tham chiếu của bộ ADC, đối với board mạch
Arduino Due, giá trị điện áp này là 3,3V.
2.4.3 UART
UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) là bộ truyền nhận nối
tiếp không đồng bộ. UART là thiết bị phần cứng, không phải là chuẩn giao tiếp.
UART muốn tạo ra một chuẩn giao tiếp cần phải được kết hợp với một thiết bị
chuyển đổi mức điện áp. Chuẩn RS232 (COM) trên các máy tính là sự kết hợp của
chip UART và chip chuyển đổi mức điện áp. Tín hiệu từ chip UART thường có
mức điện áp chuẩn TTL, mức logic cao là 5V, mức thấp là 0V. Trong khi đó, tín
hiệu theo chuẩn RS232 trên máy tính cá nhân thường là -12V cho mức logic cao và
+12 cho mức thấp.
12 V
-12 V
5 V
3 V
0 V
-3 V
t
start
data

lượng bit 1 trong dữ liệu bao gồm cả bit parity luôn là số chẵn. Ngược lại tổng số
lượng các bit 1 trong parity lẻ luôn là số lẻ.
Stop bit báo cho thiết bị nhận biết rằng một gói dữ liệu đã được gởi xong. Sau
khi nhận được bit stop, thiết bị nhận sẽ tiến hành kiểm tra khung truyền để đảm bảo
tính chính xác của dữ liệu.
UART được sử dụng trong đề tài này để thu thập dữ liệu và đánh giá kết quả
thực nghiệm của việc xây dựng bộ lọc Kalman cho cảm biến IMU, giải thuật cân
bằng và điều khiển di chuyển sử dụng thuật toán PID.
2.4.4 PWM
PWM (Pulse-width modulation) là kỹ thuật điều chế độ rộng xung. PWM sử
dụng để kiểm soát mức điện áp cấp cho thiết bị, đặc biệt thường dùng để điều khiển
tốc độ động cơ. Giá trị điện áp trung bình cấp cho tải được điều khiển với tốc độ rất
nhanh. Tần số làm việc tùy thuộc vào đặc tính của thiết bị cần điều khiển mà có thể
25

giao động vài Hz đến vài trăm kHz. Hình 2.16 mô tả điều chế độ rộng xung thông
qua việc điều khiển độ sáng của một con LED với mức điện áp từ 0-5V
.
Hình 2.17 Mô tả dạng xung PWM
Ưu điểm chính của PWM là tổn thất điện năng trong các thiết bị chuyển mạch
là rất thấp, tổn thất điện năng gần như bằng không. PWM được sử dụng trong đề tài
này để điều khiển tốc độ động cơ của xe, giúp xe có thể giữ thăng bằng, di chuyển
nhanh chậm cũng như thay đổi hướng di chuyển.