ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

`

NGÔ THỊ CHÂM

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
CÂN BẰNG CHO ROBOT HAI BÁNH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa

THÁI NGUYÊN – 2014


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGÔ THỊ CHÂM

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

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Nguyễn Hữu Công



3

MỤC LỤC
Trang bìa phụ

Trang

Lời cam đoan ......................................................................................................... i
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
CHƯƠNG 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
CHƯƠNG 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



DANH MỤC CÁC HÌNH
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

các robot hầu hết có bánh xe rộng hoặc tối thiểu là ba điểm tiếp xúc so với
mặt đất để duy trì sự cân bằng. Tuy nhiên tăng kích thước hoặc số lượng bánh
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


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.



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.


5

ấy là zero).


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

/>

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
vào để xác định hoạt động và ví trí của robot là:

để tạo ra tín hiệu điều khiển cho động cơ DC và điều khiển tốc độ bánh robot
1.2.1.1.3 Balancing robot (Bbot)

Hình 1.7 Robot hai bánh Balancing robot (Bbot)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

12



Cả hai servo Hitec HS-311 chuẩn được sửa đổi cho xoay vòng 360 và
được điều khiển nhờ PWM. Một trong hai servo được gắn với bộ điều khiển
tứ cực LQR, đó là phần phức tạp nhất trong cấu trúc robot, bánh con lại bắt
chước tốc độ của bánh thức nhất. Equibot chỉ có một loại cảm biến hồng
ngoại Sharp thay cho cảm biến về góc. Nó được đặt thấp đề đo khoảng cách
giữa robot với sàn. Ngõ ra của cảm biến hồng ngoại được dùng để xác định
hướng di chuyển của robot.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

14

Hình 1.9 Robot hai bánh Equibot
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

/>

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.