MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài

 !"#"$%&'()*+
,-%./)/%*+012%
/34"$(5/$"67
+  8  9 $ %    /"  2  /$  "( :  1;  %  
:<=>>67?$3@5ABCDEEF(G8/34
="$)367;H"*+/3
4"6>IJ:K9LM/34%6
"(
N)HO?6P?$?67HQ;3/34"
$)%RN44$HQ;$%ST6$
9BUHV""H?WH/%I?"?(N44$
32+NKV6$#"WXY"%Z""/"
"%4[+6'6#"VU%V(
$?6P?$?44$HQ;$%)63%$?
"%)3467"C//\3(
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
a. Ý nghĩa khoa học:
];$/&!C^&%H_`+\L%
&/&/34=\O"$HQ;/3aJN(b%
1 M#"6'/c,A#"$/&
!C(
b. Ý nghĩa thực tiễn:
b%A?&/&8O4`\\+"
^%8#"!"d3(e8O67M?0`)
f
)`42LO3
0,$#""A?(b3+8678O67
",$%SgT!"'O"(IQ;C&HH

q
1.1.1. Thế nào là xe hai bánh tự cân bằng
1.1.2. Tại sao phải thiết kế xe hai bánh tự cân bằng
1.1.3. Ưu và nhược điểm của xe hai bánh tự cân bằng
1.1.3.1. Ưu điểm
1.1.3.2. Nhược điểm
1.1.4. Tính ứng dụng của xe hai bánh tự cân bằng
1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Y8"6")\;3%8&@`"$+
4j.6`"$+49G85"(56&
'9%6'$/rA%HOH%"
[$@`"$6&(h6'%HO\R
1.2.1. nbot
1.2.2. Balance-bot I
1.2.3. Đại học sư phạm thành phố Hồ Chí Minh
1.2.4. Đại học sư phạm kỹ thuật Hưng Yên (Biclycle Robot)
1.2.5. Lit motors
1.2.6. Loại robot phục vụ con người, kiểu rolling phục vụ con người của hãng
TOYOTA
1.2.7. Cycling Robot
1.3. Nhu cầu thực tế
Y8@/86[`$"\%%As?/\/1
%%\l8%&@\L`82sl
`"`9/\HQ;8O%+H+(B@)
&/&?"S.%%&*++
t
)"%"47 ?n6[%A3%)"
$H$oHO%%O)8@%A
3@$%?O'(
G/1"@/"2%\8\L`"$+4+

yY
z
HO
%+8/3aJhHO/3>G="$+
4(
F({+\L8O="$+4A?L
/3(
1.5. Phương pháp nghiên cứu
1.5.1. Xây dựng mô hình lý thuyết
1.5.2. Xây dựng mô hình thực
x
CHƯƠNG 2
LÝ THUYẾT BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VÀ ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG H
2
/H
∞
2.1 LÝ THUYẾT BỘ ĐIỀU KHIỂN PID
2.1.1 Giới thiệu bộ điều khiển PID số
2.1.2. Khâu P
2.1.3. Khâu I
2.1.4. Khâu D
2.1.5. Tổng hợp 3 khâu-bộ điều khiển PID
2.1.6. Rời rạc hóa bộ điều khiển PID
2.1.7. Các phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID số
2.1.7.1. Phương pháp Ziegler-Nichols
2.1.7.2. Phương pháp Chien-Hrones-Reswick
2.1.7.3. Phương pháp tối ưu modul và phương pháp tối ưu đối xứng
2.1.7.4. Phương pháp tổng hằng số thời gian (Kuhn)
2.1.7.5. Phương pháp tối ưu theo sai lệch bám
|

Hình 2.17 Hệ điều khiển với nhiễu ngoài và nhiễu trong
eH aHf~
γ



g
•
CHƯƠNG 3
THIẾT KẾ MÔ HÌNH VÀ THỰC HIỆN BỘ ĐIỀU KHIỂN PID SỐ TRÊN
VI ĐIỀU KHIỂN PIC
3.1. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐƠN GIẢN CỦA HỆ ROBOT
YLq(fu"HPdC67#"38M4
(HPd%")$/^86H"R
γR)#"?6Pc
hR3"2+#"H'0-
mR267%
αR"O)#"$%
IR\!$1#"$%
TR\!"@"#"$%
PR+-?€
Hình 3.1 Sơ đồ đơn giản hệ thống cân bằng robot
W+-?€a@"\%)`6'p`O\
%671\H"R
M = P.sinγ.h = m.g.h.sinγ
V"O!"#"$%@"\671\H"R
T = I.α
56A34"?C)R
T = M hoặc m.g.h.sinγ = I.α
G')•#v")H•‚•LA34)R

=



+ = −


&
IQ;&pW"?""A67R
D
(   ( (  
(   (   ( (  
K i s I s s
L i s R s V K s s
θ
θ θ

=

+ = −

B&p$?6PL"A67%#"PhNR
D
( ( ( ( f
s
V L I s R I s
α
=
+ +
(**)

"\O&?JDN(>h{WqtF-17?;&,
(5)67;$%).63`$,
"O#"3(5))?C"qƒyWIB?ˆ?1
`$"C/)vPf
E
(
NC&67-?HO08(‰$L@%
?$8)67HQ;-/L;%6[j!,(
18")367\\!"DM%(NC3)3
/\@&D%/\@(>h{W6717?&&
/88\HQ;8$?-?(b67))'/16'q„F„f
ft@v"(
Hình 3. 4 Sơ đồ chân ADXL345
3.3.2 Cảm biến đo vận tốc góc IGT3200
JVqDEE%JN&'HQ;\8!"d3
:Š:I3AO)q;`U"`H'@"(
gB3p>hN'?C"fx(
gV"&?JDN(
gb8$?@if(D‹q(xG(
fq
Hình 3. 11 Sơ đồ chân ITG3200
3.3.3 Các phương pháp xử lý tín hiệu từ cảm biến
569?6'L%$,m"67!"%#"`
"$1%)8"`'2+(5@C&)3
j3)6H%(56\L#"
%u)"@C&3`$,)"/`'2+%
C&AO)%C&"O;3)*C&
/C$'0-4d@uj67'H%-?c4
"%$(b3%Pl%/&7?18i"C&"
%   6["  6[j $  2 L2 p ?;\

N$Ih>%INW#"CDC&6767O'"%67
O%IhW%Ih>#"Na<>G=qD•a(
3.4.4. Khối chuyển đổi điện áp cho giao tiếp I2C
Hình 3.24 Khối chuyển đổi điện áp I2C
f|
Nguyên lý hoạt động:
Nj%‡"&?JDN68$?"&?@/$"
C&@dqq…Na<@@dFJNaN>ƒqEx67
HQ;3C!&-)(
3.4.5. Khối công suất điều khiển động cơ
Hình 3.25 Khối công suất điều khiển động cơ
Nguyên lý hoạt động:
18?Ti@/3676"&/3@Y
\!"$!"aN•f|3CC"%@/3(
:@YHQ;D0?:KIŽŠJ=ŽFtE%J=ŽƒFtE(N$:KIŽŠ
@%,…/$"qE>%8$?"6)673%89€
6PO'(a/1$:KIŽŠ/5?1"6'L/\!$/)u
-+&?18H"aN•f|(=:KIŽŠ/a?1"?Cj
N•D•3%@/1(e6"/1BZN•D•V#":KIŽŠ67
OfD489fEe8$?VL&4fD.%8$?
f•
I#"J=ŽƒFtE:KIŽŠ%/\€(e/1$=ƒ=fE$BZ
N•D•€%8$?V#"J=ŽƒFtEH;`O4EGL/)"N•D•
)@(e)8$?VvPH'8$?I:KIŽŠ
€(N$:KIŽŠH_€Mˆ"(
Hình 3.26 Vùng hỗ dẫn của MOSFET
:KIŽŠ)'?vH`%'?$3i"+
V6P%+@"(W'?$%v)3j3/3H$
+h(G%.L'?$%!$vl%,?$#9d8
V!$6k(

)?6P?$?+8?6P?$?"#"Zeigler- Nichols%
\;-(
Bước 6:e3"/3aJhi"&/&4$ˆ?O'\L
O67/3&/&!C\?v/\676O?C
&/&@$6'iD&x&/@67/&!CO(
Bước 7:b6"/3aJhi"&/&%/3O67+%/3
"!$L%8#"8O(5&6"@/&!C&/&@
DE
/3$6'if&|&/@67$u-67
O(
3.5.2. Thiết kế bộ PID cho hệ Robot
+&-\L$2#"O67%"`+67
6[/\4$@083)3$?;HO?6P?$?
`$,\HO/3aJh6?6P?$?tối ưu modul?6P
?$?tối ưu đối xứng?6P?$?#"Reinisch,?6P?$?Chien-Hrones-
Reswick"?6P?$?p4HO["Kuhn(+&/0?
O67@%?6P?$?`$,"HOeaJh#"
/3aJh4+8"…2%?6P?$?"#" Zeigler-
Nichols6[67HQ;L))6%PC%/&!C/$O(
5^#"?6P?$?%6H"R
Bước 1:"/3,14/&@(IQ;18Q%
%H?f(I")8HO/&@'$,,e38/19
'p,*"%)@"…"({$,/•#""
(
Bước 2:{$,"HO/3aaJaJh6H"R
 5&HQ;/3aRVH•eaL2ea•e
 5&HQ;/3aJRVH•eaf~L2ea•E(tFe%
J•E(•F
 5&HQ;/3aJhRVH•eaf~L2ea•E(xe
J•E(Fh•E(fD

Hình 3.30 Lưu đồ thuật toán đo góc nghiêng
Dq
C. Thuật toán giao tiếp I2C đọc giá trị cảm biến
b2C&
I>=
,"u"
2
5A`>Ne
5A`>Ne
5A8
`>Ne
e& 
,"uH"~
"
b
I
I
b
Hình 3.31 Lưu đồ thuật toán giao tiếp I2C đọc giá trị cảm biến
Dt
D. Thuật toán điều khiển PID
Hình 3.32 Lưu đồ thuật toán điều khiển PID
E. Thuật toán điều khiển đông cơ giữ thăng bằng
BM
&A?\HO
e
a
e

e