Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh
Khoa cơ Khí
Sinh viên thực hiện:
Nguyễn Bá An 20900014
Cao Nhật Quang 20902087
Lê Ngọc Thường 20902718
Đồ án thiết kế hệ thống Cơ Điện Tử
Xe hai bánh tự cân
bằng
GVHD: Đoàn Thế Thảo
Lời cám ơn.
…Xin gửi lời cám ơn tới thầy Đoàn Thế Thảo đã tận tình hướng dẫn nhóm em trong
quá trình thực hiện đồ án môn học.Sự hỗ trợ từ gia đình, bạn bè là động lực to lớn để
nhóm em hoàn thành đồ án này.
Chúng em đã làm việc nghiêm túc và đã cố gắng hoàn thành tốt đồ án, tuy nhiên
không tránh khỏi những sai sót trong quá trình thực hiện. Kính mong thầy cô và các
bạn góp ý để đồ án của chúng em được hoàn thiện tốt hơn. Chúng em xin chân thành
cảm ơn.
Nhóm sinh viên thực hiện đề tài
Đồ án TKHTCĐT: Xe hai bánh tự cân bằng.
Lời cám ơn.2
Mục lục:
Đồ án TKHTCĐT: Xe hai bánh tự cân bằng.
Lời cám ơn.3
I. Giới thiệu
Đề tài xe hai bánh tự cân bằng có thể xem là dựa trên kết quả của con lắc
ngược .Nó được xem như là nền tảng cho việc nghiên cứu và chế tạo những loại
robot hai chân, robot người trong tương lai. Mục tiêu của đề tài là thiết kế và chế
tạo một xe hai bánh tự cân bằng, dựa trên lý thuyết cân bằng con lắc ngược. Điểm
đặc biệt của đề tài là nghiên cứu và tạo ra mô hình xe có hai có hai bánh lắp song
song với nhau, không giống như những chiếc scooter hay những chiếc xe hai bánh

điều khiển xe về phía trước, khi nó bị ngã nghiêng ra sau thì bộ điều khiển ra tín
hiệu điều khiển xe chạy lùi để giữ xe ở vị trí thăng bằng. Để dừng lại thì 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 của mỗi người là khác nhau nên xe hai bánh tự
cân bằng được thiết kế cho một người sử dụng.
1.2. Mục đích thiết kế xe hai bánh tự cân bằng.
Những mobile robot hầu hết là những robot di chuyển bằng ba bánh xe, với hai
bánh lái được lắp ghép đồng trục và một bánh đuôi nhỏ. Có nhiều kiểu khác nhau
nhưng đây là kiểu thông dụng nhất. Còn đối với các xe bốn bánh, thường một đầu
xe có hai bánh truyền động và đầu xe còn lại được gắn một hoặc hai bánh lái.
Việc thiết kế xe ba hay bốn bánh làm cho xe , mobile robot được thăng bằng ổn
định nhờ trọng lượng của nó được chia cho hai bánh lái chính và bánh đuôi hay
cho bất kì cái gì khác để đỡ trọng lượng của xe. Nếu trọng lượng được đặt nhiều
vào hai bánh lái thì xe hay robot sẽ không ổn định và dễ bị ngã còn nếu đặt trọng
lượng xe nhiều vào bánh đuôi thì hai bánh chính mất khả năng bám . Nhiều thiết
kế xe, robot có thể di chuyển tốt trên địa hình phẳng nhưng không thể di chuyển
tốt trên địa hình lồi lõm. Khi di chuyển lên đồi, trọng lượng xe hay robot dồn vào
đuôi xe làm bánh bánh lái mất khả năng bám và trượt ngã, đối với những bậc
thang nó có thể dừng hoặt động.
Khi di chuyển xuống đồi thì trọng tâm thay đổi về phía trước và làm cho xe hay
robot bị lật úp trên cầu thang, bị lật úp khi độ dốc chỉ từ 150 đến 200. Việc bố trí
bống bánh xe, giống như xe hơi đồ chơi hay các loại xe bốn bánh hiện đang sử
dụng trong giao thông không gặp vấn đề nhưng điều này sẽ làm cho các mobile
robot không gọn gàng và thiết kế bộ phận lái gặp chút phiền toái để có thể xác
định chính xác quãng đường đã đi.
Ngược lại, xe hai bánh dạng đồng trục lại thăng bằng rất linh động khi di chuyển
trên địa hình phức tạp, mặc dù bản thân là một hệ thống không ổn định. Khi nó
lên dốc, nó tự động nghiêng ra phía trước và giữ trọng lượng dồn về hai bánh lái
chính. Tương tự như vậy, khi bước xuống dốc, nó nghiêng ra sau và giữ trọng tâm
rơi vào các bánh lái. Chính vì vậy, không bao giờ có hiện tượng trọng tâm xe rơi

1.2.Đo góc giữa thân xe và mặt sàn.
Ở kiểu mô hình này, con lắc thuận sẽ được kéo dài, tiếp xúc với mặt sàn, góc đo
được là góc giữa thân xe mà mặt sàn.
Do con lắc tiếp xúc với mặt sàn nên sẽ k bị dao động, đáp ứng nhanh. Tuy nhiên
do góc đo được là góc giữa con lắc với mặt sàn, nên xe chỉ hoạt động trên mặt
phẳng có độ nghiêng không đổi.
Đồ án TKHTCĐT: Xe hai bánh tự cân bằng.
Lời cám ơn.8
2. Cơ sở thiết kế mô hình:
ϴ
”
= (g / R)ϴ
(công thức lấy từ tài liệu 00964A – Microchip, về con lắc ngược)
Gia tốc góc của con lắc ngược sẽ tỉ lệ nghịch với R là khoảng cách từ tâm xoay tới
trọng tâm của con lắc.
Như vậy khi mô hình có trọng tâm càng cao thì càng dễ cân bằng, ổn định, do
phần thân sẽ đổ chậm, đây là điểm quan trọng, giúp cho các công việc sau này dễ
dàng hơn.
Đồ án TKHTCĐT: Xe hai bánh tự cân bằng.
Lời cám ơn.9
3. Lựa chọn bộ truyền.
Nhóm em đưa ra hai phương án là: sử dụng bộ truyền bánh răng hoặc đai răng.
3.1.Bộ truyền bánh răng
Bộ truyền bánh răng làm việc theo nguyên lý ăn khớp, thực hiện truyền chuyển
động và công suất dựa vào sự ăn khớp giữa các răng trên bánh răng.
Ưu điểm:
• Kích thước nhỏ, khả năng tải lớn.
• Tỷ số truyền không thay đổi.
• Hiệu suất cao, có thể đạt từ 0.97 – 0.99.
• Làm việc với vận tốc cao.

H. Mô hình
4.1.Một số chi tiết:
H. Một số chi tiêt trên xe.
Đế gắn mạch điện: được gắn vào than xe bằng cách bắt vít vào rãnh trượt hai
bên, có khả năng dịch chuyển lên xuống nhờ rãnh trượt.
Lỗ gắn biết trở: gồm 1 lỗ gắn trục biến trở và 1 lỗ nhỏ cố định biến trở.
Đồ án TKHTCĐT: Xe hai bánh tự cân bằng.
Lời cám ơn.12
Rãnh trượt: dùng để cố định đế gắn mạch và chân đỡ xe.
Lỗ đặt ổ lăn.
Chân đỡ: giúp bảo vệ xe, phần mạch điện khi xe bị đổ.
4.2.Cụm truyền động
H. Cụm truyền động.
Motor
H. Động cơ 12VDC
Motor có gắn sẵn bánh răng nhỏ, đường kính ngoài 9mm.
Đồ án TKHTCĐT: Xe hai bánh tự cân bằng.
Lời cám ơn.13
Bánh xe – Trục – Bánh răng bị động.
H. Cụm bánh xe.
Bao gồm 2 bánh xe, 2 ổ lăn, trục (5mm) và 1 bánh răng.
Lắp motor:
H. lắp ráp motor trong mô hình.
Phần định vị giúp motor có thể dịch chuyển theo chiều dọc để điều chỉnh ăn
khớp
H. Motor có thể dịch theo chiều dọc trục, điều chỉnh ăn khớp.
Đồ án TKHTCĐT: Xe hai bánh tự cân bằng.
Lời cám ơn.14
Ăn khớp giữa hai bánh răng
H. hai bánh răng ăn khớp

6. Mạch sử dụng biến trở chỉnh hệ số PID:
Để dễ dàng khảo sát, thay đổi hệ số Kp, Ki, Kd tôi đã sử dụng 3 biến trở kết nối
như hình.
Đồ án TKHTCĐT: Xe hai bánh tự cân bằng.
7. Mạch driver DC ( LMD18200)
LMD18200 là IC chuyên dùng cho điều khiển động cơ DC với dòng lên đến 3A.
Với chân PWM và thay đổi độ rộng xung hoặc tần số xung ta có thể điều khiển
được tốc độ động cơ. Chân DIR dùng để đảo chiều động cơ, chân BRAKE dùng
để dừng động cơ.Mạch thiết kế như trên có thể cấp xung PWM lên đến 20kHz.
8. Một số kết nối:
Mạch dùng để kết nối các linh kiện và mạch với nhau.
Đồ án TKHTCĐT: Xe hai bánh tự cân bằng.
IV. Chương trình điều khiển
1. Giới thiệu bộ điều khiển PID:
Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (bộ điều khiển PID- Proportional Integral
Derivative) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển (bộ điều khiển) tổng quát
được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp – bộ điều khiển
PID được sử dụng phổ biến nhất trong số các bộ điều khiển phản hồi. Một bộ điều
khiển PID tính toán một giá trị "sai số" là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến
đổi và giá trị đặt mong muốn. Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng
cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào.
Hình 1: Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID
Giải thuật tính toán bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt, do đó đôi
khi nó còn được gọi là điều khiển ba khâu: các giá trị tỉ lệ, tích phân và đạo hàm,
viết tắt là P, I, và D. Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại, giá trị tích
phân xác định tác động của tổng các sai số quá khứ, và giá trị vi phân xác định tác
động của tốc độ biến đổi sai số. Tổng chập của ba tác động này dùng để điều
chỉnh quá trình thông qua một phần tử điều khiển như vị trí của van điều khiển
hay bộ nguồn của phần tử gia nhiệt. Nhờ vậy, những giá trị này có thể làm sáng tỏ
về quan hệ thời gian: P phụ thuộc vào sai số hiện tại, I phụ thuộc vào tích lũy các

độ lợi của khâu tỉ lệ quá cao, hệ thống sẽ không ổn định (xem phần điều chỉnh
vòng). Ngược lại, độ lợi nhỏ là do đáp ứng đầu ra nhỏ trong khi sai số đầu vào
lớn, và làm cho bộ điều khiển kém nhạy, hoặc đáp ứng chậm. Nếu độ lợi của khâu
tỉ lệ quá thấp, tác động điều khiển có thể sẽ quá bé khi đáp ứng với các nhiễu của
hệ thống.
Đồ án TKHTCĐT: Xe hai bánh tự cân bằng.
Hình 2: Sự thay đổi khi điều chỉnh Kp
1.2.Khâu tích phân:
Phân phối của khâu tích phân (đôi khi còn gọi là reset) tỉ lệ thuận với cả biên độ
sai số lẫn quảng thời gian xảy ra sai số. Tổng sai số tức thời theo thời gian (tích
phân sai số) cho ta tích lũy bù đã được hiệu chỉnh trước đó. Tích lũy sai số sau đó
được nhân với độ lợi tích phân và cộng với tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển. Biên
độ phân phối của khâu tích phân trên tất cả tác động điều chỉnh được xác định bởi
độ lợi tích phân, Ki.
Thừa số tích phân được cho bởi:
Trong đó:
I
out
: thừa số tích phân của đầu ra
K
i
: độ lợi tích phân, 1 thông số điều chỉnh
e: sai số
t: thời gian hoặc thời gian tức thời (hiện tại)
T: một biến tích phân trung gian
Khâu tích phân (khi cộng thêm khâu tỉ lệ) sẽ tăng tốc chuyển động của quá trình
tới điểm đặt và khử số dư sai số ổn định với một tỉ lệ chỉ phụ thuộc vào bộ điều
khiển. Tuy nhiên, vì khâu tích phân là đáp ứng của sai số tích lũy trong quá khứ,
nó có thể khiến giá trị hiện tại vọt lố qua giá trị đặt (ngang qua điểm đặt và tạo ra
một độ lệch với các hướng khác). Để tìm hiểu thêm các đặc điểm của việc điều

Khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân được cộng lại với nhau để tính toán đầu ra của bộ
điều khiển PID. Định nghĩa rằng u(t) là đầu ra của bộ điều khiển, biểu thức cuối
cùng của giải thuật PID là:
trong đó các thông số điều chỉnh là:
Độ lợi tỉ lệ, Kp
giá trị càng lớn thì đáp ứng càng nhanh do đó sai số càng lớn, bù khâu tỉ lệ càng
lớn. Một giá gị độ lợi tỉ lệ quá lớn sẽ dấn đến quá trình mất ổn định và dao động.
Độ lợi tích phân, Ki
giá trị càng lớn kéo theo sai số ổn định bị khử càng nhanh. Đổi lại là độ vọt lố
càng lớn: bất kỳ sai số âm nào được tích phân trong suốt đáp ứng quá độ phải
được triệt tiêu tích phân bằng sai số dương trước khi tiến tới trạng thái ổn định.
Độ lợi vi phân, Kd
giá trị càng lớn càng giảm độ vọt lố, nhưng lại làm chậm đáp ứng quá độ và có thể
dẫn đến mất ổn định do khuếch đại nhiễu tín hiệu trong phép vi phân sai số.
1.5.PID số:
Công thức của bộ điều khiển PID trình bày trong (2) là dạng hàm liên tục của biến
e, trong đó có cả thành phần tuyến tính, đạo hàm và tích phân. Tuy nhiên, hệ
thống máy tính và vi điều khiển lại là hệ thống số. Muốn xây dựng bộ điều khiển
Đồ án TKHTCĐT: Xe hai bánh tự cân bằng.