Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

`

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
NGÔ THỊ CHÂM

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
CÂN BẰNG CHO ROBOT HAI BÁNH NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
CÂN BẰNG CHO ROBOT HAI BÁNH
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
Mã số: 60520216
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS. TS. Nguyễn Hữu Công

THÁI NGUYÊN – 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

i
LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Ngô Thị Châm
Sinh ngày: 13/06/1979
Học viên lớp cao học khóa 14 – Tự động hóa – Trường Đại học kỹ thuật
công nghiệp – Đại học Thái Nguyên.

Lời cam ơn ii
Mục lục iii
Danh mục các bảng v
Danh các hình ảnh (Hình vẽ, ảnh chụp, đồ thị) vi
MỞ ĐẦU 1
1. Tính cấp thiết của đề tài 1
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ROBOT HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG 3
1.1. Giới thiệu robot hai bánh tự cân bằng 3
1.2. Tổng quan về robot hai bánh tự cân bằng trong nước và trên thế giới 3
1.2.1 Các nghiên cứu về robot hai bánh song song tự cân bằng 3
1.2.2 Các nghiên cứu về robot hai bánh trước sau tự cân bằng trên thế giới 21
1.2.3 Các nghiên cứu về robot hai bánh tự cân bằng trong nước 29
1.3. Kết luận chương 1 29
CHƢƠNG 2. THIẾT KẾ ROBOT HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG 31
2.1 Giới thiệu 31
2.2 Thiết kế robot hai bánh tự cân bằng 31
2.2.1 Thiết kế phần cơ khí 31
2.2.2 Thiết kế phần điện 38
2.3 Mô hình hóa robot hai bánh tự cân bằng 44
CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ-MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM THỰC HỆ
THỐNG ĐIỀU KHIỂN ROBOT HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG 48
3.1 Giới thiệu 48
3.2 Một số phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển theo kỹ thuật không
gian trạng thái 48

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

iv
3.2.1 Thiết kế theo phương pháp áp đặt điểm cực 49

Trang
Hình 1.1 Robot hai bánh song song khi leo dốc và xuống dốc 5
Hình 1.5 Robot hai bánh nBot 8
Hình 1.6 Robot hai bánh Balance-bot I 9
Hình 1.7 Robot hai bánh Balancing robot (Bbot) 10
Hình 1.8 Robot hai bánh JOE 11
Hình 1.9 Robot hai bánh Equibot 13
Hình 1.10 Robot hai bánh BaliBot 14
Hình 1.11 Các tầng cảm biến của BaliBot 15
Hình 1.12 Robot hai bánh Bender 16
Hình 1.13 Robot phục vụ con người Rolling 16
Hình 1.14 Xe Segway 18
Hình 1.15 Xe Balancing Scooter 19
Hình 1.16 Xe Spider 20
Hình 1.17 Robot hai bánh tự cân bằng của Gallaspy 26
Hình 1.18 Robot hai bánh tự cân bằng của Suprapto 27
Hình 1.19 Robot hai bánh tự cân bằng của Pom Yuan Lam 27
Hình 1.20 Murata Boy Robot 28
Hình 2.1 Kích thước robot hai bánh tự cân bằng 32
Hình 2.2 Kích thước thiết kế của bánh đà 32
Hình 2.3 Hình dạng thực tế của bánh đà 33
Hình 2.4 Cảm biến gia tốc Gyro GY-521 6DOF MPU6050 34
Hình 2.5. Sơ đồ mạch cảm biến MPU - 6050 35
Hình 2.6 Sơ đồ xác định góc nghiêng của cảm biến gia tốc 36
Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý hệ thống xử lý cảm biến góc nghiêng 37
Hình 2.8 Cảm biến tốc độ 37
Hình 2.9 Hệ thống điều khiển tiến lùi của robot 38

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/


xe sẽ làm giảm hiệu quả của hệ thống điều khiển do tăng trọng lượng xe, tăng
ma sát hoặc tăng lực kéo và tăng tổn hao năng lượng. Robot hai bánh tự cân
bằng là một hướng nghiên cứu sẽ giải quyết được nhược điểm. Bởi robot hai
bánh tự cân bằng chỉ sử dụng hai bánh xe nên giảm được cả trọng lượng và
chiều rộng không gian. Tuy nhiên vấn đề khó khăn cho robot là làm cách nào
để robot có thể tự cân bằng trong những điều kiện làm việc khác nhau, đồng
thời tải trọng mang theo có thể thay đổi.
Với mục tiêu nghiên cứu và chế tạo thử nghiệm một mô hình robot hai
bánh trước sau tự cân bằng, trong luận văn này tác giả sẽ tập trung nghiên
cứu, thiết kế và chế tạo phần cứng cho robot hai bánh trước sau tự cân bằng
sử dụng bánh đà với nghiên cứu ban đầu là robot có thể cân bằng khi đứng
yên và chuyển động thẳng cùng với một hệ thống điều khiển chất đảm bảo
yêu cầu và áp dụng thuật toán điều khiển thích hợp.
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Robot hai bánh có thể sử dụng thay con người trong thăm dò, … Từ
nghiên cứu về robot hai bánh tự cân bằng có thể phát triển mô hình robot hai
bánh tự cân bằng thành xe hai bánh tự cân bằng sử dụng trong giao thông vận
tải. Xe hai bánh tự cân bằng có khả năng tự cân bằng cả khi đứng yên, khi
chuyển động và cả khi xảy ra va chạm. Xe hai bánh tự cân bằng nếu được

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

2
thiết kế tốt thì khi va chạm nó chỉ bị văng ra và vẫn giữ được phương thẳng
đứng nhờ hệ thống tự cân bằng lắp trên nó do đó sẽ đảm bảo an toàn cho
người sử dụng. Do đó, nghiên cứu về robot hai bánh tự cân bằng có tính khoa
học và thực tiễn rất lớn.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/


4
là việc giữ cho góc lệch giữa trục vuông góc với trục 2 bánh, với phương của
trọng lực là không đổi.
Việc xuất hiện của robot hai bánh giúp cho người sử dụng thuận tiện và
dễ dàng hơn trong việc di chuyển trong một không gian hẹp, trong văn phòng
hay khu vui chơi. Hơn nữa việc sử dụng robot cũng góp phần giảm thiểu chi
phí và thân thiện với môi trường.
Những loại robot tự hành hầu hết là những loại robot di chuyển bằng ba
hoặc bốn bánh xe với hai bánh dẫn động được lắp ráp đồng trục, và một hoặc
hai bánh tự do có thể được lắp ráp trước hoặc sau xe có nhiệm vụ giữ thăng
bằng cho xe.
Việc thiết kế với ba hay bốn bánh làm cho robot thăng bằng ổn định vì
trọng tâm của xe được đặt vào giữa bánh dẫn động chính và bánh tự do. Nếu
trọng lượng đặt nhiều vào bánh dẫn động thì robot sẽ không ổn định dễ bị
ngã, còn nếu đặt nhiều vào bánh lái thì hai bánh chính sẽ mất khả năng bám.
Nhiều robot có thể di chuyển tốt trên địa hình phẳng nhưng không thể di
chuyển lên xuống trên địa hình lồi lõm hay mặt phẳng nghiêng. Khi di chuyển
trên mặt nghiêng sẽ làm cho robot mất khả năng bám và trượt ngã.
Ngược lại các robot hai bánh đồng trục lại thăng bằng rất linh động trên
các địa hình phức tạp, mặc dù bản thân là một hệ thống không ổn định. Khi
nó leo sườn dốc, nó tự động nghiêng ra trước và giữ cho trọng lượng dồn về
hai bánh lái chính. Tương tự như vậy, khi đi xuống dốc nó nghiêng ra sau và
trọng tâm rơi vào các bánh lái. Chính vì vậy không bao giờ có trường hợp
trọng tâm của robot rơi ra ngoài vùng đỡ của các bánh xe để có thể gây ra sự
lật úp hay mất thăng bằng cho xe khi di chuyển.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

5


Về mặt kỹ thuật, góc giữa sàn robot và chiều trọng lực có thể biết
được. Do vậy, thay vì tìm cách xác định trọng tâm nằm giữa các bánh robot,
tay lái cần được giữ thẳng đứng, vuông góc với sàn robot (góc cân bằng khi
ấy là zero).

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

8
Nếu tay lái được đẩy hơi nghiêng tới trước, xe sẽ chạy tới trước và khi
nó được đẩy nghiêng ra sau, xe sẽ chạy lùi. Đây là một phân tích lý tính. Hầu
hết mọi người đều có thể kiểm soát tay lái trong vòng vài giây để giữ lấy nó.
Để dừng lại, chỉ cần kéo trọng tâm xe nghiêng ngược hướng đang di chuyển
thì tốc độ xe giảm xuống. Do tốc độ cảm nhận và phản ứng thăng bằng của
mỗi người là khác nhau, nên xe hai bánh tự cân bằng chỉ được thiết kế cho
một người sử dụng.
1.2.1.1 Một số robot hai bán song song tự cân bằng trên thế giới
1.2.1.1.1 nBot

Hình 1.5 Robot hai bánh nBot
nBot [28] do David P. Anderson sáng chế và chế tạo. nBot được lấy ý
tưởng cân bằng theo nguyên lý con lắc ngược như sau: Các bánh robot sẽ phải
chạy theo hướng mà phần trên robot sắp ngã sao cho trọng tâm của robot luôn
được giữ nằm trên đường nối giữa hai điểm tiếp xúc của hai bánh robot với
mặt đất. Trong thực tế, điều này đòi hỏi, robot phải có hai cảm biến là: Cảm

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

9
biến góc nghiêng để đo góc nghiêng của robot so với phương thẳng đứng và
encoder trên mỗi bánh robot để đo vị trí cơ bản của robot. Bốn thông số ngõ

1.2.1.1.3 Balancing robot (Bbot)

Hình 1.7 Robot hai bánh Balancing robot (Bbot)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

11
Năm 2003, Jack và Jin Bai đã thiết kế và chế tạo Bbot [33]. Robot có thể
xác định vị trí hướng của nó đối với môi trường và lái động cơ theo hướng này.
Để đo góc nghiên của robot, các tác giả đã sử dụng hệ thống đo lường
góc 2DOF được tích hợp sẵn của hãng Romotion. Hệ thống này gồm gia tốc
kế ADXL202 và mạch con quay hồi chuyển. Vi mạch điều khiển dùng trên
robot là BacsicX 24 có nhiều tính năng khác nhau, nó được dùng như bộ điều
khiển động cơ, COM1 được nối với Pocket PC và COM3 được nối với bộ
điều khiển Secvo Mini SSC 12. Vi xử lý nàu còn được sử dụng như CPU
chính cho việc điều khiển cân bằng cho robot.
1.2.1.1.4 JOE

Hình 1.8 Robot hai bánh JOE
Phòng thí nghiệm điện tử công nghiệp của Viện Công nghệ Federal,
Lausanne Thụy Sĩ đã tạo ra cuộc cách mạng đầu tiên khi xây dựng thành công
mô hình robot tự cân bằng đầu tiên có tên gọi JOE [30]. Robot JOE có chiều

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

12
cao 65cm, nặng 12kg, tốc độ tối đa khoảng 1,5 m/s, có khả năng leo dốc nghiêng
đến 30
0
. Nguồn điện áp cấp cho robot là nguồn pin 32V dung lượng 1,8Ah.

1.2.1.1.6 BaliBot
BaliBot [36] là một trong số những mẫu robot hai bánh đầu tiên có
trọng tâm phía trên các bánh xe. Nếu không có hệ thống điều khiển, robot sẽ
bị đổ. Khi robot nhận biết được hướng mà nó sắp đổ, các bánh xe sẽ di
chuyển về phía robot sắp đổ và thẳng góc với chính nó.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

14

Hình 1.10 Robot hai bánh BaliBot
Cảm biến góc nghiêng được sử dụng để đo góc nghiên của robót so với
phương thẳng đứng là gia tốc kế Motorola MMA2260 sử dụng cấu trúc
MEMS.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

15

Hình 1.11 Các tầng cảm biến của BaliBot
PIC16F876 của hãng Microchip được dùng làm trung tâm của hệ thống
điều khiển robot. PIC tích hợp một bộ biến đổi A/D nhiều kênh để đo cảm
biến góc nghiêng và các ngõ I/O để kiểm soát hai động cơ servo điều khiển
chuyển động của robot. Mạch điện điều khiển được xây dựng trên bảng prọect
board Radio Shack RS 276-150 và lắp ráp phĩa trên các động cơ servo, trên
khung bằng nhôm. Nguồn điện cấp cho robot được đặt gần đỉnh và hoạt động
như trọng lượng của con lắc ngược. Một phiên bản khác của BaiBot sử dụng
cảm biến hồng ngoại để đo khảng cách thay vì dùng cảm biến đo góc.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/