LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên,em xin cảm ơn gia đình – chỗ dựa vững chắc cả về vật chất lẫn tinh
thần,đã tạo mọi điều kiện tốt đẹp cho chúng em.
Chúng em xin chân thành cám ơn các Thầy, Cô ở bộ môn Điều Khiển Tự
Động nói riêng và Thầy, Cô ở các Bộ Môn khác của trường Đại học Bách Khoa –
Đại học Quốc Gia Tp.HCM đã truyền đạt cho chúng em những kiến thức, hành
trang vô cùng quý báu trong suốt hơn bốn năm qua.Em cũng xin gửi lời cảm ơn
sâu sắc đến người thầy trực tiếp hướng dẫn em thực hiện luận văn –thầy Nguyễn
Đức Hoàng , cảm ơn thầy đã những lời khuyên bổ ích cho em.
Cuối cùng,mình xin gửi lời cảm ơn tới những người bạn đã đồng hành đã hỗ
trợ mình trong những thời điểm khó khan.Cảm ơn các bạn đã giúp đỡ mình hoàn
thành luận văn này.

1
TÓM TẮT LUẬN VĂN
Nhiệm vụ của luận văn là tạo ra một mô hình xe 2 bánh tự cân bằng.Người thực
hiện có nhiệm vụ vận dụng các kiến thức về bộ điều khiền ,kiến thức về động lực ,
các thành phần phần cứng học nhằm tạo ra một thuật toán để giữ cho xe đứng giữ
được cân bằng.
Kết quả đạt được là mô hình xe có thể giữ cân bằng ổn định trong thời gian dài
thậm chí có tác đông từ môi trường bên ngoài hoặc khi trọng tâm của xe mất cân
bằng.Ngoài ra , xe cũng có thể được điều khiển qua sóng Bluetooth bằng máy tính
hoặc 1 điện thoại android.
2
MỤC LỤC
Trang bìa ……………………………………………………………………i
Lời cảm ơn …………………………………………………………………ii
Tóm tắt đề tài …………………………………………………………………iii
Mục lục ………………………………………………………………….iv
Danh sách các hình vẽ …………………………………………………………………v
Danh sách các từ viết tắt …………………………………………………………… vi

yêu cầu về kĩ thuật mà còn phải giải quyết được vấn đề về năng lượng và môi
trường.
4
Đặc biệt,trong lĩnh vực giao thông vận tải,đây là ngành trực tiếp thải vào môi
trường các chất thải từ quá trình đốt các nhiên liệu hóa thạch như xăng ,dầu,… bên
trong các phương tiện như ô tô,xe máy.Vì thế trong thời gian gần đây,ngoài việc
nghiên cứu và đưa vào ứng dụng các nguồn năng lượng xanh như điện,
nước,nguyên liệu sinh học thay thế cho các nguồn dầu mỏ đang cạn kiệt thì việc
tìm kiếm các phương thức di chuyển mới sao cho quá trình di chuyển thuận lợi hơn
trong bối cảnh số lượng phương tiện giao thông ngày càng tăng cũng được quan
tâm không kém.Nổi bật lên trong số những sản phẩm như vậy,đó là chiếc xe hai
bánh tự cân bằng Segway,dựa trên bài toán con lắc ngược cổ điển,do kĩ sư người
Mỹ Dean Kamen phát minh với nhiều ưu điểm vượt trội và khả năng ứng dụng
rộng rãi.
Trong điều kiện tài chính cho phép,người thực hiện đề tài cũng mong muốn tạo ra
một mô hình nhỏ xe 2 bánh tự cân bằng nhằm mục đích nghiên cứu ứng dụng lý
thuyết cân bằng trong mô hình này.
2.Mục tiêu nghiên cứu:
Mục tiêu chính của đề tài luận văn này là tìm ra giải thuật để làm cho mô hình xe
này có thể cân bằng thậm chí trong điều kiện có tác động từ môi trường bên ngoài.
Luận văn cũng cố gắng tìm ra phương thức để xe có thể đứng cân bằng trong điều
kiện trọng tâm của xe thay đổi hay cân bằng trên mặt phẳng nghiêng.
Ngoài ra, mô hình xe 2 bánh tự cân bằng cũng được them vào chức năng điều
khiển như tới,lùi,quay trái ,quay phải.
3.Giới hạn của đề tài:
Vì đây chỉ là một mô hình nhỏ xe 2 bánh tự cân bằng với mục đích chính là nghiên
cứu và phát triển về sau nên xe chỉ có thể mang các vật nhẹ ,chưa thể mang hoặc
chở người hay vật nặng.
5


nhiều vào bánh lái thì xe/robot sẽ không ổn định và dễ ngã.Vì vậy,nhiều thiết kế
chỉ có thể di chuyển tốt trên địa hình phẳng,không thể di chuyển lên xuống trên địa
hình lồi lõm hay mặt phẳng nghiêng.Khi di chuyển lên đồi ,trọng lượng xe dồn vào
đuôi bánh xe làm bánh lái mất khả năng bám và trượt ngã.Khi di chuyển xuống
đồi,trọng tâm bị dồn về phía trước sẽ làm cho xe dễ bị lật úp.
8
Hình 1.3.Trạng thái xe 3 bánh khi di chuyển trên dốc.
Ngược lại,các xe dạng 2 bánh 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 leo
lên sườn dốc,nó tự động nghiêng ra phía trước và giữ cho trọng tâm dồn vào 2
bánh .Tương tự như vậy,khi xuống dốc,nó nghiêng ra phía sau và cũng giữ cho
trọng tâm rơi vào các bánh xe.Chính vì vậy,không bao giờ có hiện tượng trọng tâm
của xe rơi ra ngoài vùng đỡ của các bánh xe để gây ra sự lật úp.
9
Hình 1.3. Trạng thái của xe khi di chuyển lên xuống dốc.
Như vậy,đối với những địa hình lồi lõm và những ứng dụng thực tế,sự thăng bằng
của xe 2 bánh có thể sẽ mang lại nhiều ý nghĩa thực tiễn trong giới hạn ổn định hơn
so với xe 3 bánh truyền thống.
3.Ưu,nhược điểm của xe 2 bánh tự cân bằng:
a.Ưu điểm:
+ Không gây ô nhiễm, sử dụng điện và có thể sạc điện được.
+ Tối ưu hóa không gian sử dụng( ngoài đường phố, văn phòng, )
+Giá thành thấp hơn so với xe hơi.
+Hình dáng độc đáo,mới lạ gây cuốn hút người tiêu dùng.
+Dễ dàng điều khiển và dừng lại.
b.Nhược điểm:
+ Không thể thư giãn và khá mệt mỏi khi lái do phải đứng trong lúc điều khiển.
10
+Không thể làm việc khác khi đứng trên xe như nghe điện thoại,uống nước.
+Tốc độ di chuyển của xe chưa đủ nhanh.

lượng.Một vi điều khiển kiểm soát tất cả cảm biến analog.Vi điều khiển thứ ba
điều khiển động cơ DC.

12
Bộ điều khiển được sử dụng là LQR.Nó có 4 giá trị khác nhau : góc nghiêng, vận
tốc góc nghiêng,góc quay bánh xe và vận tốc góc quay sau đó tạo lệnh cho động cơ
DC để điều chỉnh tố độ bánh xe.
_Balanduino:
Balanduino do công ty TKJ electronics sản xuất.

Xe được cấu tạo từ ba lớp gỗ cắt laser.Tầng giữa bỏ trống được thêm vào nhằm
tăng tính ổn định của Balanduino.Lớp này được dự trữ để thêm vào các chức năng
như GPS hay camera.Lớp trên cùng được đăt cục pin LiPo 11.1 vôn cung cấp điện
cho toàn bộ xe.Lớp dưới cùng có gắn 2 động cơ 12 vôn với tốc độ và momen
lớn.Ngoài ra 2 động cơ còn gắn thêm encoder để giám sát vị trí của xe.
Trung tâm điều khiển của xe chính là board mạch chính Balanduino, được gắn ở
mặt trên của lớp đáy.
13
Board mạch này tích hợp tất cả các thành phần của xe như: Vi điều khiển
Atmega644A,IC chuyển đổi USB sang Serial,cảm biến được sử dụng là
MPU6050(gồm 1 Accelerometer 3 trục và 1 gyroscope 3 trục),cầu H để lái động
cơ,….
Băng cách đọc dữ liệu cảm biến từ MPU6050,encoder và kết hợp vào trong bộ
điều khiển PID sẽ làm cho xe cân bằng thậm chí khi bị đẩy.
b.Một số dạng xe scooter chở người:
_Segway:
Không giống như một chiếc xe hơi,Segway chỉ có 2 bánh,nó kiểm soát hoạt động ở
tư thế thẳng đứng.
Để di chuyển đến trước hay lùi sau,người lái chỉ việc hơi nghiêng về phía trước
hay phía sau.Để quẹo trái hay phải,người lái quay tay lái qua phải hướng ra phía

nghiêng về phía trước,mạch xử lí sẽ ra lệnh cho 2 động cơ quay về trước và giữ về
trạng thái cân bằng.Khi người điều khiển quẹo trái hay quẹo phải,động cơ làm 1
trong 2 bánh xe quay nhanh hơn bánh xe kia hoặc 2 bánh xe quay ngược chiều để
xe xoay quay.
_ HTV:

15
Nhóm sinh viên ngành kĩ thuật HTV của trường đại học Camosun đã cho ra đời
mô hình xe cân bằng HTV.
Mô hình xe HTV đã sử dụng ADXR150EB từ thiết bị analog đo vận tốc góc
nghiêng.Đó là 1 gyro tuyệt vời,có các tính năng,như: loại bỏ độ rung cao,tỉ số cao
+/-150 degree/s,độ nhạy cao 12mV/deg/s,được cài đặt sẵn tín hiệu điều
khiển.MMA2260D từ Motorola,một gia tốc kế có độ nhạy cao(1200mV/g) và cũng
cài đặt sẵn tín hiệu điều khiển,dung để đo góc nghiêng tĩnh.Bộ điều khiển được sử
dụng là bộ điều khiển Logic mờ(Fuzzy Logic).
_ Spider:

Chiếc Spider do Francisco cho ra đời vào cuối tháng 2/2004.Nó có thể cân bằng
hầu như trong mọi tình huống,di chuyển ,lượn vòng quanh.Spider được điều khiển
bằng 2 động cơ của hãng NPC và gia tốc kế 2 trục bằng thiết bị analog chứa 2
thành phần chính: Cảm biến Gyro silicon và vi điều khiển BasicX.Khung xe được
chế tạo từ khung nhôm và sợi cacbon.Bộ lái động cơ làm từ MOSFET.Nguồn điện
sử dụng:NiMh 3000mAh.
16
Chương 3
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
1.Thuật toán điều khiển:
- Có nhiều thuật toán để giải quyết bài toán cân bằng,phổ biến nhất vẫn là điều
khiển LQR,điều khiển mờ,điều khiển PID.Trong đề tài luận văn này ,bộ điều khiển
được sử dụng là bộ điều khiển PID nối tiếp.

+Khâu tỉ lệ:
Khâu tỉ lệ (đôi khi còn được gọi là độ lợi) làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ với giá
trị sai số hiện tại. Đáp ứng tỉ lệ có thể được điều chỉnh bằng cách nhân sai số đó
với một hằng số K
p
, được gọi là độ lợi tỉ lệ.
Độ lợi của khâu tỉ lệ lớn là do thay đổi lớn ở đầu ra mà sai số thay đổi nhỏ. Nếu độ
lợi của khâu tỉ lệ quá cao, hệ thống sẽ không ổn định .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.
+Khâu vi phân:
Tốc độ thay đổi của sai số qua trình được tính toán bằng cách xác định độ dốc của
sai số theo thời gian (tức là đạo hàm bậc một theo thời gian) và nhân tốc độ này
với độ lợi tỉ lệ . Biên độ của phân phối khâu vi phân (đôi khi được gọi là tốc độ)
trên tất cả các hành vi điều khiển được giới hạn bởi độ lợi vi phân.

Khâu vi phân làm chậm tốc độ thay đổi của đầu ra bộ điều khiển và đặc tính này là
đang chú ý nhất để đạt tới điểm đặt của bộ điều khiển. Từ đó, điều khiển vi phân
được sử dụng để làm giảm biên độ vọt lố được tạo ra bởi thành phần tích phân và
tăng cường độ ổn định của bộ điều khiển hỗn hợp. Tuy nhiên, phép vi phân của
một tín hiệu sẽ khuếch đại nhiễu và do đó khâu này sẽ nhạy hơn đối với nhiễu
18
trong sai số, và có thể khiến quá trình trở nên không ổn định nếu nhiễu và độ lợi vi
phân đủ lớn.
+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

-Quy trình thiết kế bộ điều khiển PID nối tiếp:
+Đầu tiên ta tiến hành thực hiện bộ điều khiển PID đơn giám sát góc nghiêng. Tín
hiệu đầu vào là góc đặt mà tại đó xe đứng cân bằng( trong đề tài góc cân bằng =
180).Tín hiệu từ cảm biến góc nghiêng MPU6050 qua bộ lọc Kalman sẽ được so
sánh với góc đặt để đưa vào bộ PID.Ngõ ra bộ điều khiển PID chính là giá trị xung
PWM và được đưa vào mạch lái L298 để lái 2 động cơ.Nếu góc nghiêng càng lớn
thì ngõ ra PID càng lớn như vậy moomen quay của động cơ cũng mạnh để kịp thời
20
đưa xe về vị trí cân bằng.Một vấn đề đặt ra là hướng điều khiển động cơ.Giả sử xe
đang bị nghiêng về phía trước,khi đó có thể coi giá trị ngõ ra PID >0,dựa vào đó ta
sẽ xuất tín hiệu hướng cho động cơ quay về phía trước để cân bằng xe.
+Với chỉ 1 bộ điều khiển PID góc nghiêng thì cũng đủ để xe không bị ngã.Tuy
nhiên,một vấn đề đặt ra là xe dao động di chuyển tới lui.Vì vậy,ta cần 1 bộ điều
khiển PID để chỉnh vận tốc xe =0.Bộ điều khiển này lấy tín hiệu đọc được từ
encoder gắn trực tiếp lên 2 bánh xe để xác định vận tốc bánh xe.Giá trị vận tốc này
sẽ so sánh với giá trị đặt là 0 để được 1 sai số và đưa vào bộ điều khiển PID vận
tốc.Ngõ ra của bộ điều khiển này sẽ được cộng với giá trị góc đặt (180) .Tổng giá
trị này sẽ được làm ngõ vào của bộ điều khiển PID góc nghiêng.
Ta sẽ giải thích vì sao ta lại làm như vậy:
Ở trên ta đã thiết kế được bộ điều khiển Pid góc nghiêng mắc nối tiếp với đối
tương là 2 động cơ bánh xe.Bây giờ ta gộp chúng lại với nhau và coi như 1 đối
tượng mới.Giở đây chính đối tượng mới này được điều khiển bởi bộ điều khiển
PID vận tốc.Vì tín hiệu đặt vận tốc là 0 nên bộ điều khiển vận tốc sẽ điều chỉnh để
ngõ ra có giá trị bằng 0.Giá trị 0 này cộng với giá trị góc đặt 180 sẽ được đưa vào
bộ điều khiển góc nghiêng rồi tiếp tục bộ điều khiển góc nghiêng sẽ điều chỉnh ngõ
ra để điều khiển xe về vị trí thẳng đứng 180.Như vậy,với bộ điều khiển PID
cascade sẽ thực hiện được cả 2 nhiệm vụ là vừa giữ cho xe cân bằng và đứng yên
tại chỗ.Có thể hiểu nôm na , bộ điều khiển PID vận tốc tự bản thân nó sẽ có nhiệm
vụ tính ra 1 giá trị góc đặt hợp lí cho bộ điều khiển PID góc nghiêng.Điều này có
thể thấy rõ khi ta tác động 1 lực vào xe,khi đó vận tốc xe thay đổi => giá trị góc đặt

điểm ổn định cho vòng lặp. Giá trị tối ưu thì khó tìm hơn. Vài bộ điều khiển số còn
có chức năng tự điều chỉnh, trong đó những thay đổi rất nhỏ của điểm đặt cũng
được gửi tới quá trình, cho phép bộ điều khiển tự mình tính toán giá trị điều chỉnh
tối ưu.
Các dạng điều chỉnh khác cũng được dùng tùy theo tiêu chuẩn đánh giá kết quả
khác nhau. Nhiều phát minh hiện nay đã được nhúng sẵn vào trong các module
phần mềm và phần cứng để điều chỉnh PID.
- Phương pháp điều chỉnh thủ công:
22
+ Chọn Kp trước: thử bộ điều khiển P với đối tượng thật (hoặc mô phỏng),
điều chỉnh Kp sao cho thời gian đáp ứng đủ nhanh, chấp nhận overshot nhỏ.
+ Thêm thành phần D để loại overshot, tăng Kd từ từ, thử nghiệm và chọn giá
trị thích hợp. Steady state error có thể sẽ xuất hiện.
+ Thêm thành phần I để giảm steady state error. Nên tăng Ki từ bé đến lớn
để giảm steady state error đồng thời không để cho overshot xuất hiện trở lại.
So sánh các phương pháp:
Phương pháp Ưu điểm Khuyết điểm
Điều chỉnh thủ công Không cần biết về toán.
Phương pháp online.
Yêu cầu nhân viên có
kinh nghiệm
Ziegler – Nichol Phương pháp chứng
minh.Phương pháp online
Làm rối loạn quá
trình,một số thử nghiệm
và lỗi,phải điều chỉnh
nhiều lần.
Công cụ phần mềm Điều chỉnh chắc chắn.
Phương pháp online hoặc
offline. Có thể bao gồm

kp = => N = kp
+thành phần trục y:
p = =>P =k(p+g).
Nhưng giá trị xp và yp lại là hàm của nên ta cần đạo hàm bậc 2 các giá trị này:
xp = x + lsin
p = +lcos
p = sin +lcos
yp = - lcos
p = lsin
p = cos +lsin
Thay các biểu thức này vào trong biểu thức N và P ở trên ta được:
N = k(sin +lcos
P = k(cos +lsin) +g
Sau khi ta đã có các phương trình mô tả hệ thống tiếp theo là ta se xây dựng mô
hình Simulink để mô phỏng mô hình con lắc ngược.
25