ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
MAI THỊ THU HÀ THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM
MÔ HÌNH XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
Mã số: 60520103
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Có thể tìm hiểu luận văn tại
- Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên
- Thư viện trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp

1

Chương 1
GIỚI THIỆU
¬
Chương này giới thiệu các cơ sở lý luận và tính cấp thiết để
thực hiện đề tài nghiên cứu, các mục tiêu và tóm tắt các kết quả đã
đạt được. Phần 1.1 trình bày về vấn đề nghiên cứu cũng như tính
cấp thiết của đề tài. Các thông tin tổng quan về các kết quả nghiên
cứu gần đây trên thế giới về xe tự cân bằng được trình bày trong
phần 1.2. Phần 1.3 trình bày các mục tiêu cụ thể của nghiên cứu.
Các kết quả chính đã đạt được về cả lý thuyết và thực nghiệm được
tóm tắt trong phần 1.4. Phần cuối cùng giới thiệu cấu trúc của luận
văn.
1.1. Vấn đề nghiên cứu
Trong những năm gần đây, điều khiển cân bằng đã và đang
tiếp tục nhận được quan tâm của các nhà nghiên cứu về mặt lý thuyết
và ứng dụng triển khai. Một trong những thành tựu của các nghiên
cứu về điều khiển cân bằng dựa trên nguyên lý con quay hồi chuyển
(Gyroscope) đã được ứng dụng để phát triển các sản phẩm được
người dùng rất quan tâm, chẳng hạn như xe Gyrocar, xe Lit Motors.
Trong thực tế, có hai mô hình xe hai bánh tự cân bằng: mô
hình xe hai bánh ngang (Segway) và mô hình xe hai bánh dọc – thuật

đã được nghiên cứu lần đầu tiên trong công trình của Cousins [10],
và gần đây hơn Gallaspy [9] sử dụng phép lấy đạo hàm trong phân
tích toán học hoặc Karnopp [11] sử dụng các đồ thị quan hệ để lấy
đạo hàm.
Từ sau khi Count Perter Schilovski chế tạo thành công mô
hình xe Gyrocar đầu tiên, do chiến tranh thế giới hầu như tất cả các
tài liệu bị thất lạc, sản phẩm thì bị chôn vùi. Chính vì vậy những
nghiên cứu sâu về việc giữ cân bằng cho xe hai bánh lại đi theo
hướng điều khiển. Các kết quả nghiên cứu khai thác ưu điểm ổn định
con quay hồi chuyển cho các phương tiện được công bố trong phạm
vi rất hẹp, đặc biệt công nghệ này còn rất mới ở Việt Nam. Cho đến

3

nay, chưa có công bố khoa học nào ở trong nước nói về ứng dụng
nguyên lý con quay hồi chuyển cho xe hai bánh dọc tự cân bằng.
Đề tài “Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm mô hình xe hai bánh
tự cân bằng” được thực hiện nhằm xây dựng mô hình thực nghiệm,
phân tích các quan hệ lực, momen ảnh hưởng đến khả năng tự cân
bằng của xe. Kết quả của đề tài có thể được sử dụng làm cơ sở cho
các nghiên cứu tiếp theo về bài toán điều khiển, chế tạo thử nghiệm
xe.
1.2. Các kết quả nghiên cứu gần đây
Tại Đức, năm 1810 Nhà khoa học Johann Gottlob Frederick
Von Bohnenberger (xem Hình 1.4) [14] là người đầu tiên phát minh
ra con quay hồi chuyển.
Năm 1852 nhà khoa học người Pháp Leon Foucalt [14] đã
sử dụng con quay hồi chuyển để chứng minh Trái Đất có chuyển
động quay. Trước đó ông đã dùng con lắc để chứng minh như vậy và
ông đưa ra giả thuyết rằng con quay hồi chuyển đứng có thể được sử

và sử dụng hệ thống ổn định hồi chuyển để đứng thẳng khi không di
chuyển. Điểm nổi bật của C1 chính là khả năng tự cân bằng. Nhà sản
xuất quảng cáo rằng dù có bị một phương tiện khác đâm vào nhưng
C1 vẫn có thể đứng vững bởi xe được trang bị hệ thống tự cân bằng .
Xe có kích thước nhỏ gọn như xe máy, lại được trang bị vỏ bọc kim
loại chắc chắn và được thiết kế với mui như xe ô tô, cũng được điều
khiển bằng vô-lăng, ga và phanh thông qua bàn đạp chân.
Các kết quả trên cho thấy việc xuất hiện của xe hai bánh tự
cân bằng giúp cho người sử dụng thuận tiện và dễ dàng hơn trong
việc di chuyển, có thể giảm tắc nghẽn giao thông. Điểm đặc biệt nhất
ở xe hai bánh tự cân bằng là khả năng tự cân bằng dựa trên nguyên lý
con quay hồi chuyển, vì vậy dù địa hình có gập ghềnh ra sao, xe
cũng luôn luôn an toàn, kể cả khi bị xô ngang (va chạm) với các vật
thể/phương tiện khác. Do vậy đây là một phương tiện vận chuyển

5

mới tại các thành phố trong tương lai với nhiều ưu điểm: gọn, nhẹ, ít
chiếm diện tích đường phố, dễ điều khiển và an toàn.
1.3. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu chính của đề tài này là chủ động công nghệ nhằm
thiết kế, chế tạo và thử nghiệm mô hình có ứng dụng con quay hồi
chuyển nhằm tự giữ cân bằng cho xe hai bánh
Các mục tiêu cụ thể của đề tài là:
1. Chế tạo mô hình thử nghiệm khả năng cân bằng dùng
con quay hồi chuyển;
2. Đánh giá khả năng cân bằng khi không sử dụng các giải
thuật điều khiển;
3. Tiến hành thí nghiệm để xác định khả năng chịu được
xung va đập và quan hệ giữa momen gây lật và momen cản

Luận văn được chia thành 5 chương với các nội dung chính
như sau.
Chương 1 trình bày các cơ sở, tính cần thiết thực hiện đề tài.
Các nghiên cứu tương tự gần đây cũng được giới thiệu tóm tắt nhằm
nêu bật các kết quả đóng góp mới.
Trong chương 2, các cơ sở lý thuyết về con quay hồi chuyển,
các mô hình của xe hai bánh dọc đã được chế tạo trong thực tế và
trong các nghiên cứu thí nghiệm trước đây cũng được trình bày cụ
thể.
Thiết kế, chế tạo mô hình thử nghiệm được trình bày chi tiết
trong chương 3. Ở đó, sơ đồ nguyên lý, mô hình lý thuyết, cấu tạo và
thiết kế xe hai bánh dọc được trình bày một cách cụ thể. Hệ thống
các thiết bị thí nghiệm sử dụng để khảo sát đặc tính động lực học của
cơ hệ cũng được mô tả.
Trong chương 4 trình bày các kết quả thực nghiệm, đánh giá
khả năng tự cân bằng của xe.
Các kết luận và đề xuất nghiên cứu tiếp theo được trình bày
trong chương 5.

7

Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÂN BẰNG DÙNG
CON QUAY HỒI CHUYỂN
2.1. Giới thiệu
Chương này giới thiệu chung về cấu tạo, phân tích nguyên lý
làm việc và ứng dụng của con quay hồi chuyển. Đề xuất mô hình xe
hai bánh tự cân bằng.
Phần 2.2 tiếp theo trình bày cơ sở lý thuyết cân bằng dùng
con quay hồi chuyển. Đặc tính động lực học con quay hồi chuyển
được trình bày trong phần 2.3. Phần 2.4 trình bày các mô hình con


Hình 2.1. Nguyên lý hoạt động của con quay

Trên Hình 2.1, một con quay được gắn vào một trục quay,
một đầu của trục được đặt trên đỉnh O của một cái giá đỡ sao cho
trục này có thể quay tự do xung quanh giá đỡ.
Chọn một hệ toạ độ gốc ở O, trục Oz thẳng đứng, còn mặt
phẳng xOy nằm ngang, trục của con quay cũng nằm ngang, dọc theo
trục Ox. Giả sử con quay quanh nhanh thì nó sẽ không đổ xuống mà
cùng với cán trục quay xung quanh trục z đi qua giá đỡ. Sự quay này
của cả trục và con quay được gọi là sự tiến động. Nếu tác động một
lực F hướng xuống tại điểm A thì momen động lượng L hướng ra
theo hướng trục quay, vuông góc với lực F. Con quay sẽ quay với
vận tốc góc 

và vân tốc tiến động 

.
F
O

mg




A

L



z

y

F
o


L
o
P

G


1

Con quay

L
cqO

l
x
điểm như sau:
Mô hình sử dụng một con có đặc điểm:
 Mô hình này gồm một con quay gắn trên khung, để cho con
quay có thể quay được trong khung thì cần sử dụng một động cơ có
tốc độ quay cao.
 Thiết kế đơn giản, nhỏ gọn.
 Có khung con quay để đảm bảo an toàn trong quá trình sử dụng.
Mô hình sử dụng 2 con quay có đặc điểm:
 Tạo ra lực tiến động lớn.

11

 Thiết kế phức tạp hơn, do sử dụng hai con quay nên cần thêm
động cơ, dẫn đến tăng trọng lượng, tăng chi phí và gây ồn hơn.
 Để điều khiển các con quay cần dùng đến thuật toán điều khiển
phức tạp hơn
Qua việc phân tích đặc điểm các mô hình, cho thấy mô hình
một con quay có kết cấu đơn giàn, nhỏ gọn hơn và điều khiển cũng
đơn giản hơn mô hình dùng hai con quay hồi chuyển. Vì vậy đã có
một số nhóm sinh viên trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp đã làm
nhưng tính ổn định của cơ hệ chưa cao.
Qua thực tế thử nghiệm các mô hình, cho thấy mô hình một
con quay trục đứng đạt tính ổn định cao hơn. Vì vậy trong luận văn
này sẽ thử nghiệm khả năng chịu momen lật và momen chống lật của
xe sử dụng một con quay hồi chuyển trục đứng.
2.5. Ứng dụng của con quay hồi chuyển
Con quay hồi chuyển thường được sử dụng trong các phòng thí
nghiệm vật lý của các trường học và các viện nghiên cứu kỹ thuật.
Con quay hồi chuyển được dùng với gia tốc kế trong các
thiết bị di động hiện đại ngày nay, đặc biệt là điện thoại thông minh

thì sẽ làm cho con quay hồi
chuyển tiến động với vận tốc tiến động 
2
, momen được sinh ra ở
trục thứ ba, vuông góc với cả mô-men xoắn và trục quay, như vậy
theo lý thuyết, để giữ cho con quay cân bằng thì momen con quay có
giá trị gần bằng giá trị momen ngoại lực tác dụng lên con quay.
Giả sử một xe hai bánh đang chuyển động, nếu tác dụng một
lực va chạm ngang làm xe có xu hướng mất cân bằng. Khi đó rất khó
để có thể tác dụng một lực theo phương ngược lại để giữ cân bằng
cho xe. Vì vậy cần phải tạo ra một momen lực vuông góc với lực tác
dụng (lực gây lật) để giữ cân bằng cho xe. Quan hệ động lực học
giữa momen gây lật và momen cản lật của con quay rất phức tạp
nhưng việc xác định mối quan hệ này lại rất quan trọng vì nó làm cơ
sở cho bài toán điều khiển sau này.
Ý tưởng xây dựng một mô hình xe bánh bánh dùng con
quay hồi chuyển chịu va chạm đột ngột mà không đổ là có thể thực
hiện được.

13

Chương 3. THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO

3.1. Giới thiệu
Chương này trình bày về việc thiết kế, chế tạo mô hình xe
hai bánh tự cân bằng dựa trên nguyên lý con quay hồi chuyển. Thiết
bị và sơ đồ thí nghiệm để khảo sát các đặc tính của hệ thống sẽ được
mô tả cụ thể. Các thiết bị đo và cách thức tiến hành thí nghiệm khảo
sát động lực học của mô hình cũng được trình bày chi tiết.
Phần 3.2 sẽ trình bày về các bước thiết kế và chế tạo mô

dùng con quay hồi chuyển.

Trên hình 3.1, con quay được treo trên khung xe. Muốn cho
con quay quay bên trong khung xe cần gắn một động cơ cho con
quay và lắp bánh xe vào cho xe chuyển động. Khi con quay quay với
tốc độ rất cao, nếu tác động một lực va chạm sẽ sinh ra một momen
lực làm khung bị xiên đi nên cần có một lực tác dụng theo hướng
ngược lại để giữ cân bằng cho xe. Vì vậy các bộ phận chính của xe
được thiết kế như sau.
3.2.1. Khung xe
Từ ý tưởng trên, khung xe dược thiết kế nhỏ, gọn, có dạng
hình chữ nhật, với hai thanh thép V3 (có kích thước dài 668mm, rộng
30mm, dày 3mm) ghép với hai thanh thép đặt ngang (có kích thước
dài 360mm, rộng 50mm, dày 3mm) nhờ mối ghép bulong. Hai bánh
xe được thiết kế có kích thước đường kính ngoài 97mm, được gắn
cứng với thanh thép đặt ngang.
3.2.2. Động cơ
Chọn động cơ sử dụng có:
 Công suất định mức là 250W;
 Vận tốc 2650 v/p;
 Điện áp 24V
Đ
ộ
ng cơ

Khung xe

Con quay
Bánh xe



0,01

16

Bước 9: Mài tròn ngoài: Làm trục gá, kẹp tốc, chống tâm hai
đầu, mài láng phần trụ ngoài trên máy mài tròn ngoài, quẹt hai mặt
đầu trên cùng một lần gá.
3.2.3. Giá treo động cơ.
Để động cơ có thể truyền chuyển động quay cho con quay
(trong mô hình treo con quay lên khung xe theo phương thẳng đứng),
cần có một giá treo động cơ lên khung xe , để đảm bảo tính an toàn
và ổn định cho mô hình.
Từ kích thước của khung xe và động cơ, chọn kết cấu và
kích thước giá treo động cơ
3.2.4. Gối đỡ vòng bi
Gối đỡ là chi tiết có kết cấu đơn giản, vật liệu chế tạo là gang
xám, dùng để đỡ các trục quay, bề mặt làm việc là các lỗ. Gối đỡ làm
việc trong điều kiện chịu lực và tải trọng khá lớn. Để treo giá đỡ
động cơ lên khung xe, sử dụng 2 gối đỡ vòng bi P203, đảm bảo hệ
dẫn động được cứng vững.
3.3. Các thiết bị đo
3.3.1 Thiết bị đo lực
Lực tác động lên xe được đo bằng thiết bị Loadcell
Tốc độ quay của bánh đà được đo bằng đồng hồ đo tốc độ
3.3.2 Thiết bị thu thập dữ liệu
Tín hiệu được đưa vào máy vi tính bằng bộ thu nhận dữ liệu
DAQ USB-6008 của National Instruments và phần mềm hiển thị dao
động NI LabView Signal Express 3.0.
3.4. Lắp đặt, vận hành thiết bị thí nghiệm

sẽ được thể hiện trong phần 4.2, tiếp theo các kết quả thử nghiệm và
một số những ý kiến thảo luận được trình bày trong phần 4.3. Sự so
sánh giữa các kết quả có được từ các thử nghiệm sẽ được thực hiện
trong phần 4.4. Phần cuối cùng, phần 4.5 sẽ là tóm tắt các kết luận
chính phần thực hiện của chương.
4.2. Thí nghiệm mô tả mối quan hệ giữa momen gây lật và momen
hồi chuyển
4.2.1. Mô tả thí nghiệm
Sơ đồ thí nghiệm được trình bày trên hình 4.1. Hình 4.1. Sơ đồ thu thập tín hiệu momen lật từ Load cell

Bảng số liệu
Phần mềm vẽ đồ thị
Loadcell
Màn hình máy tính hiển thị kết quả
Bộ tiếp nhận dữ liệu DAQ USB 6008
Bộ xử lý dữ liệu thu được NILabview 3.0
19

Chương trình thử nghiệm được tiến hành để xác định mối
quan hệ giữa lực và momen bằng cách lần lượt treo các quả nặng có
khối lượng khác nhau lên thanh điều khiển.


Hình 4.6. Đồ thị quan hệ giữa momen gây lật và momen hồi chuyển
4.2.4. Kết quả thí nghiệm

Với mỗi giá trị khối lượng treo lên thanh ngang, Loadcell
cảm nhận, ghi lại và đưa vào máy tính thông qua phần mềm Labview
được cho trong bảng 4.2.
Bảng 4.2. Quan hệ giữa momen gây lật và momen hồi chuyển
m (kg) Điện áp ra
(mV)
F
1
(N) F
2
(N) M
1
(N.m) M
2
(N.m)
0.5 0.2 4.9 7.056 1.078 1.19952
1 0.3 9.8 10.584 2.156 1.79928
1.5 0.5 14.7 17.64 3.234 2.9988
2 0.6 19.6 21.168 4.312 3.59856
2.5 0.7 24.5 24.696 5.39 4.19832
3 0.9 29.4 31.752 6.468 5.39784
3.5 1.1 34.3 38.808 7.546 6.59736
4 1.2 39.2 42.336 8.624 7.19712

Thực tế thí nghiệm cho thấy momen hồi chuyển có giá trị
gần bằng momen gây lật. Kết quả này tương tự như tính toán lý

Khi này giữ vật nặng có khối lượng xác định, có cao độ so với thành
ngoài của xe một khoảng xác định (h = 400mm ). Thả vật rơi tự do,
va đập vào khung xe. Lực va đập sẽ gây momen lật xe một cách đột
ngột (xem hình 4.8). Trên thanh ngang của giá treo động cơ có lắp
cảm biến góc để đo góc xoay của trục khi thả vật va đập.

F
vđn
h

M

l
Lực va đập
F

P

h

O22

4.3.3. Kết quả thí nghiệm
Với mỗi vật nặng có khối lượng khác nhau thả rơi từ độ cao
400mm xuống khung xe, kết quả thu được nhờ cảm biến góc xoay và
cảm biến trọng lưc được cho bởi Bảng 4.3 Từ kết quả thu được , dễ
thấy mô hình xe hai bánh tự cân bằng chịu được xung va đập khá

và momen lật gần đúng như lý thuyết theo quan hệ bậc nhất để
làm cơ sở phát triển bài toán điều khiển hoàn chỉnh.
4. Khẳng định tính ưu việt của việc điều khiển cân bằng dùng
momen con quay.