(Đồ án hcmute) robot hai bánh tự cân bằng sử dụng bộ điều khiển fuzzy pid

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN - TỰ ĐỘNG HÓA

ROBOT HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU
KHIỂN FUZZY PID

GVHD: ThS. NGUYỄN TRẦN MINH NGUYỆT
SVTH: NGUYỄN TÂN AN
MSSV: 12151157
LÊ MINH TRÍ
MSSV: 12151086

SKL 0 0 4 6 7 2

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2016

do an


TÓM TẮT ĐỀ TÀI
Robot hai bánh tự cân bằng là một đối tượng có tính phi tuyến cao và tương đối khơng ổn định. Vì
vậy, ta phải có một phương pháp điều khiển mới để đưa hệ thống robot hai bánh về vị trí cân bằng mong
muốn. Một trong những phương pháp được ứng dụng vào điều khiển đó chính là Fuzzy-PID. Với ưu điểm
hệ thống cơ khí khơng q phức tạp, robot hai bánh tự cân bằng được sử dụng rộng rãi trong việc giảng
dạy và nghiên cứu lý thuyết điều khiển tự động cũng như xây dựng các bộ điều khiển số. Hệ thống bao
gồm: hai bánh xe được gắn vào bệ của robot và kết nối với hai động cơ DC thông qua bộ truyền đai, bệ của
robot được gắn với thân của robot tượng trưng cho thanh quay của con lắc ngược. Cảm biến Gyro-86 được

sử dụng để tính góc xoay để đảm bảo thân của robot xoay trục của động cơ. Ta phải điều khiển để thân
robot có thể cân bằng ở một vị trí cân bằng cho phép. Mục tiêu của đề tài là xây dựng bộ điều khiển FuzzyPID với luật điều khiển Max-Min để điều khiển đối tượng có độ phi tuyến này được ổn định. Luật điều
khiển này sẽ được mô phỏng bằng Matlab Simulink và được kiểm nghiệm trên nền vi điều khiển CortexM4F. Ưu điểm khi sử dụng Cortex-M4F để thực thi bộ điều khiển là: giá thành rẻ, sử dụng linh hoạt và dễ
dàng ứng dụng vào thực tế khi được thương mại hóa. Cảm biến sử dụng Gyro giá rẻ nhưng vẫn đáp ứng
được những yêu cầu đưa ra.

i

do an


ABSTRACT
Two-wheeled self-balancing robot is an object of high nonlinearity and relatively unstable. Therefore, we
must have a new control method to give two-wheeled robotic system for the location of the desired
balance. One of the methods to be applied to control Fuzzy-PID that is. With mechanical advantage system
is not too complicated, two-wheeled self-balancing robot is widely used in teaching and research control
theory as well as the construction of digital controllers. The system includes: two wheels are attached to
the base of the robot and connected to two DC motors through belt driven, the base of the robot is attached
to the body of the robot's rotation represents the inverted pendulum rod. Gyro-86 sensor is used to
calculate the rotation angel of the robot body to ensure the rotation of the motor shaft. Thus the body of the
robot will orbit relative around the motor shaft. We have to control the robot to be able to balance itself in
a position to balance allows. The objective of the project is to build Fuzzy-PID controller with Max-Min
control law to control objects nonlinearity is stable. This control law will be simulated by matlab simulink
and tested on the Cortex-M4F microcontroller. Advantages when using the Cortex-M4F to execute the
controller are: low cost, flexible use and easy application into commercial reality when variables used
Gyro sensor price cheap but still meet the request made

ii

do an

Lời cảm ơn
Nhóm khơng thể theo đuổi và hồn thành đề tài của luận văn tốt nghiệp trong vòng 16 tuần nếu
khơng có sự giúp đỡ của những người thân và bạn bè xung quanh. Do vậy, với trân trọng và cảm kích,
nhóm xin gửi lời cảm ơn đến thầy cơ, những người thân trong gia đình và bạn bè xung quanh đã chăm sóc,
an ủi khi gặp trở ngại và động viên nhóm để thực hiện luận văn.
Lời cảm ơn đầu tiên, tôi xin chân thành gửi đến Cô Nguyễn Trần Minh Nguyệt người đã tận tình
hướng dẫn và truyền đạt các kiến thức giúp tơi hồn thành luận văn này. Điều quan trọng nhất là Th.S
Nguyễn Trần Minh Nguyệt hướng nhóm tìm được con đường nghiên cứu các thuật tốn mới có tính ứng
dụng cao ngồi thực tiễn, và rất phù hợp với sở thích và niềm đam mê của tơi.
Bên cạnh đó, tơi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô trong bộ môn Điều Khiển Tự Động:
thầy Nguyễn Minh Tâm, cô Nguyễn Trần Minh Nguyệt, thầy Lê Chí Kiên, thầy Trương Đình Nhơn
và thầy Nguyễn Đình Phú,… đã cho nhóm các kiến thức rất bổ ích và q giá trong q trình học tập để
ứng dụng vào nghiên cứu và phát triển đề tài này cũng như ứng dụng vào công việc sau này.
Tôi cũng xin chân thành gửi lời cảm ơn đến tất cả các bạn đại học khóa 2012 đã động viên, giúp
đỡ, trao đổi kiến thức với nhau trong suốt khóa học.
Cuối cùng, tơi xin chân thành cảm ơn sự quan tâm, hỗ trợ, tạo điều kiện và động viên về vật chất
lẫn tinh thần của các thành viên trong gia đình trong suốt thời gian qua.
Tp.HCM, ngày 19 tháng 07 năm 2016.
Nhóm thực hiện đề tài
Nguyễn Tấn An
Lê Minh Trí

iii

do an


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

PID: Proportional-Integral-Derivative
NE: Negative
ZE: Zero
PO: Positive
NB: Negative Big
NS:Negative Small
ZE: Zero
PS: Positive Small
PB: Positive Big

iv

do an


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1 Luật suy luận mờ.
Bảng 3.2 Chọn giá trị cho biến mờ sai số.
Bảng 3.3 Chọn giá trị cho biến đạo hàm sai số.

v

do an


DANH SÁCH HÌNH ẢNH VÀ BIỂU MẪU
Hình 1.1 Nbot
Hình 1.2 Giải thuật điều khiển Nbot
Hình 1.3 Robot điều khiển bằng logic mờ
Hình 1.4 Balance bot I

Hình 1.5 Segway
Hình 1.6 Xe hai bánh tự cân bằng HTV và nhóm thực hiện
Hình 2.1 Mơ hình Ngũn lý giữ thăng bằng
Hình 2.2 Mơ tả cách bắt đầu di chuyển
Hình 2.3 Trạng thái xe ba bánh khi di chuyển trên địa hình phẳng và dốc
Hình 2.4 Trạng thái xe hai bánh di chuyển trên địa hình phẳng, dốc
Hình 2.5 Miền xác định và miền tin cậy của tập mờ
Hình 2.6 Một số dạng hàm thuộc (Gaussian, PI-shape, S-shape, Sigmoidal, Z-shape)
Hình 2.7 Phép giao của hai tập mờ Phép hợp
Hình 2.8 Phép hợp của hai tập mờ Phép bù
Hình 2.9 Phép bù của tập mờ
Hình 2.10 Giải mờ theo phương pháp cực đại Phương pháp trọng tâm
Hình 2.11 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển mờ
Hình 2.12 Sơ đồ khối cấu trúc bộ điều khiển Fuzzy-PID
Hình 2.13 Bus I2C và các thiết bị ngoại vi
Hình 2.14 Kết nối thiết bị vào bus I2C ở chế độ chuẩn (Standard
chế độ nhanh (Fast mode)
Hình 2.15 Truyền nhận giữa thiết bị chủ và tớ ( Master – Slave )
Hình 2.16 Điều kiện Start và Stop của bus I2C
Hình 2.17 Quá trình truyền tải 1 bit dữ liệu
Hình 2.18 Dữ liệu truyền trên bus I2C
Hình 2.19 Bit ACK trên bus I2C
Hình 2.20 Lưu đồ thuật tốn truyền nhận dữ liệu
Hình 2.21 Cấu trúc byte dữ liệu đầu tiên
Hình 2.22 Quá trình truyền dữ liệu
Hình 2.23 Ghi dữ liệu từ chủ đến tớ
Hình 2.24 Đọc dữ liệu từ thiết bị tớ
Hình 2.25 Quá trình đọc ghi phối hợp dữ liệu
Hình 2.26 Sơ đồ tín hiều đầu vào ra của bộ lọc Kalman

mode)

và

vi

do an


Hình 2.27 Cảm biến GY-86
Hình 2.28 Sơ đồ nguyên lý cảm biến MPU6050
Hình 2.29 Bộ KIT Tiva C
Hình 3.1 Nguyên lý hoạt động robot hai bánh tự cân bằng
Hình 3.2 Hình chiếu cạnh của con lắc ngược 2 bánh
Bảng 3.3 Chọn giá trị cho biến mờ đạo hàm sai số
Hình 3.4 Ngõ vào sai số của hàm mờ
Hình 3.5 Ngõ vào đạo hàm của sai số theo thời gian
Hình 3.6 Mối quan hệ đầu vào ra
Hình 3.7 Mơ hình mơ phỏng Fuzzy-PID
Hình 3.8 Đáp ứng đầu ra khi chỉ dùng hệ số Kp
Hình 3.9 Đáp ứng đầu ra khi dùng hệ số Kp và fuzzy
Hình 3.10 Đáp ứng đầu ra khi dùng bộ PD
Hình 3.11 Đáp ứng đầu ra khi dùng bộ PD Fuzzy
Hình 3.12 Tín hiệu điều khiển của bộ PD và PD Fuzzy
Hình 3.13 Đáp ứng đầu ra của PD và PD Fuzzy
Hình 4.1 Lưu đồ giải thuật
Hình 4.2 Lưu đồ khối điều khiển cân bằng
Hình 4.3 PIN K-POWER 3S 11.1V 2200mAh 25C

Hình 4.4 Đơng cơ DC 12V

Hình 4.5 Mạch nguồn LD 1085
Hình 4.6 Hình ảnh thực tế
Hình 4.7 Driver cầu H
Hình 4.8 Sơ đồ kết nối cầu H
Hình 4.9 Kết nối cảm biến vào vi điều khiển
Hình 4.10 Hình robot nhìn từ trên xuống
Hình 4.11 Robot nhìn trực diện

vii

do an


Mục Lục

TÓM TẮT ĐỀ TÀI ............................................................................................ i
Lời cảm ơn ....................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................. iv
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ..................................................................... v
DANH SÁCH HÌNH ẢNH VÀ BIỂU MẪU .................................................. vi
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ............................................................................. 1
1.1 Lời nói đầu .............................................................................................. 1
1.2 Các cơng trình nghiên cứu liên quan ..................................................... 2
1.2.1 Nbot .................................................................................................. 2
1.2.2 Two-wheeled inverted pendulum .................................................... 3
1.2.3 Balance bot I .................................................................................... 4
1.2.4 Segway ............................................................................................. 4
1.2.5 HTV .................................................................................................. 7
1.3 Mục tiêu đề tài ......................................................................................... 8
1.4 Giới hạn đề tài ......................................................................................... 8

1.5 Phương pháp nghiên cứu......................................................................... 9
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................... 10
2.1 Thế nào là xe hai bánh tự cân bằng....................................................... 10
2.2 Tại sao phải thiết kế xe hai bánh cân bằng ........................................... 11
2.3 Ưu nhược điểm của xe hai bánh tự cân bằng ........................................ 12
2.3.1 Ưu điểm của xe scooter tự cân bằng trên hai bánh ........................ 12
2.3.2 Nhược điểm của xe ........................................................................ 13
2.4 Khả năng ứng dụng ............................................................................... 13

`

do an


2.5 Giới thiệu thuật toán PID ...................................................................... 13
2.5.1 Thành phần tỉ lệ (P) ........................................................................ 14
2.5.2 Thành phần tích phân (I) ................................................................ 14
2.5.3 Thành phần vi phân (D) ................................................................. 14
2.5.4 Chỉnh định tham số bộ điều khiển PID .......................................... 15
2.6 Lý thuyết điều khiển mờ (Fuzzy Logic Control) .................................. 16
2.6.1 Định nghĩa tập mờ .......................................................................... 16
2.6.2 Các phép toán trên tập hợp mờ ...................................................... 17
2.6.3 Tính chất của tập hợp mờ ............................................................... 19
2.6.4 Biến mờ và biến ngôn ngữ ............................................................. 20
2.6.5 Mệnh đề mờ và mệnh đề hợp thành ............................................... 21
2.6.6 Các luật hợp thành.......................................................................... 22
2.6.7 Giải mờ ........................................................................................... 22
2.6.8 Hệ quy tắc mờ ................................................................................ 23
2.6.9 Xây dựng bộ điều khiển Fuzzy ...................................................... 24
2.7 Cấu trúc bộ điều khiển Fuzzy-PID........................................................ 26

2.8 Giới thiệu về I2C ................................................................................... 26
2.8.1 Đặc điểm giao tiếp I2C .................................................................. 27
2.8.2 START and STOP conditions ........................................................ 29
2.8.3 Định dạng dữ liệu truyền................................................................ 30
2.8.4 Định dạng địa chỉ thiết bị ............................................................... 32
2.8.5 Truyền dữ liệu trên bus I2C, chế độ Master‐Slave ........................ 32
2.9 Giới thiệu về Kalman ........................................................................... 34
2.9.1 Giới thiệu lý thuyết về bộ lọc Kalman ........................................... 34
2.9.2 Xử lý dữ liệu đọc từ cảm biến MPU6050 ...................................... 36

`

do an


2.9.3 Áp dụng bộ lọc Kalman cho việc xử lý tín hiệu từ cảm biến
MCU6050 ................................................................................................ 37
2.10 Cảm biến Gyo-86 ................................................................................ 40
2.11 Board Tiva C ....................................................................................... 41
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN .................................................. 43
3.1 Nguyên lý hoạt động của robot hai bánh tự cân bằng........................... 43
3.2. Mơ hình hóa robot hai bánh tự cân bằng ............................................. 43
3.2.1. Mô tả phần cứng............................................................................ 43
3.2.2 Mơ hình tốn học ........................................................................... 45
3.3 Thiết kế bộ điều khiển FUZZY-PID cho robot hai bánh tự cân bằng

.. 49

3.3.1 Thiết kế FUZZY............................................................................. 49
3.3.2 Kết quả mô phỏng của FUZZY-PID .............................................. 52

3.3.3 Chọn bộ điều khiển ........................................................................ 54
CHƯƠNG 4: ................................................................................................... 56
THI CÔNG THỰC NGHIỆM......................................................................... 56
4.1 Lưu đồ giải thuật ................................................................................... 56
4.2 Chọn động cơ và pin ............................................................................. 58
4.2.1 Chọn pin ......................................................................................... 58
4.2.2 Chọn động cơ ................................................................................. 58
4.3 Các mạch điều khiển ............................................................................. 59
4.3.1 Mạch nguồn .................................................................................... 59
4.3.2 Driver cầu H ................................................................................... 60
4.3.3 Kết nối cảm biến với vi điều khiển ................................................ 60
4.4 Mơ hình thực tế ..................................................................................... 61
CHƯƠNG 5: ................................................................................................... 63
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ........................................ 63

`

do an


5.1 Các kết quả đã đạt được ........................................................................ 63
5.2 Các kết quả chưa đạt được .................................................................... 63
5.3 Hướng phát triển của đề tài ................................................................... 63
Tài liệu tham khảo ........................................................................................... 64

`

do an

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

`

do an


Chương 1 Tổng Quan
1.1 Lời nói đầu
Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật đã tạo tiền đề cho ngành công
nghệ robot đạt được những thành tựu to lớn như: robot asio của Honda, robot công
nghiệp, robot thám hiểm mặt trăng,…
Để đạt được những thành tựu đó ta phải nghiên cứu những vấn đề cân bằng cơ
bản để đạt đến những thành tựu công nghệ robot hiện nay thông qua xe hai bánh tự
cân bằng Segway, một phát minh nổi tiếng của kỹ sư người Mỹ- Dean Kamen vào
năm 2001. Đây là một loại robot hai bánh, nó tự giữ cân bằng và di chuyển dễ dàng
trong khoảng không gian vừa đủ với yêu cầu linh hoạt, cơ động, hiệu quả. Với
những ưu điểm đó, robot hai bánh tự cân bằng đã nhận được sự quan tâm từ các nhà
nghiên cứu robot trên thế giới. Do đó, đề tài được xuất phát từ ý tưởng đã được
thương mại hóa của cơng ty Segway. Trên mơ hình sản phẩm của Segway với các
cảm biến được sử dụng để đọc tín hiệu cảm biến về giá rất là cao. Bên cạnh đó,
trình độ về cơ khí chưa cho phép để thiết kế một mơ hình hồn hảo. Do vậy, chúng
ta sẽ kết hợp cảm biến giá rẻ phù hợp với điều kiện cho phép kết hợp cùng một mơ
hình đơn giản cho ra hệ thống xe hai bánh tự cân bằng.
Hệ thống là một robot có hai bánh xe được đặt song song với nhau giữa những
bản lề mica được xếp ba tầng. Trên hệ thống sử dụng cảm biến để đo góc nghiêng
của thân xe, một mạch nguồn 5V cung cấp cho vi điều khiển, một mạch cầu H để
cấp xung điều khiển bánh xe, một pin nguồn 12V để cung cấp cho mạch cầu H. Nhờ
vào cảm biến được đặt trên hệ thống robot có thể tự giữ thăng bằng.
Trên hệ thống robot, cảm biến khi sử dụng luôn bị nhiễu bởi tác động từ mọi

thứ từ cơ phí đến sai số ngõ ra, do vậy giá trị đo khi của cảm biến lúc này là khơng
chính xác, bộ lọc Kalman được nghiên cứu và sử dụng để cho kết quả tối ưu về tình
trạng góc nghiêng của hệ thống. Nói cách khác thì Kalman là bộ lọc để biến các kết
quả từ cảm biến chưa chính xác thành những kết quả có giá trị. Từ tín hiệu đo được,
ta sẽ tính tốn được các giá trị phù hợp để điều khiển bánh xe giúp cho hệ thống
được thăng bằng một cách ổn định.
Trong hiện tại, nhưng ưu điểm từ hệ thống robot hai bánh tự cân bằng đã được
ứng dụng trên nhiều sản phẩm và hệ thống. Và hi vọng rằng trong tương lai đề tài
này sẽ phát triển thêm nhiều hệ thống dưới các dạng khác nhau để phục vụ lợi ích
của con người.

Đồ án tốt nghiệp

1

do an


Chương 1 Tổng Quan
1.2 Các cơng trình nghiên cứu liên quan
1.2.1 Nbot
Nbot do David P.Anderson sáng chế. Nbot được lấy ý tưởng cân bằng như
sau: các bánh xe phải chạy về hướng mà robot sắp ngã.

Hình 1.1 Nbot
Điều khiển dựa trên mơ hình khơng gian trạng thái:

Hình 1.2: Giải thuật điều khiển Nbot

Đồ án tốt nghiệp

2

do an


Chương 1 Tổng Quan
 Góc nghiêng của robot: θ
 Đạo hàm góc nghiêng chính là vận tốc góc nghiêng: 
 Vị trí robot: x
 Đạo hàm của vị trí robot chính là vận tốc di chuyển của robot: x
Bốn biến thơng số này tính ra điện áp điều khiển U cho 2 động cơ của hai
bánh xe theo công thức sau:
.

U = K1* θ +K2*θ +K3* x + K4* x

Ưu điểm: dể dàng thực hiện bộ điều khiển theo mô hình khơng gian trạng thái
khi đã tuyến tính hóa điểm làm việc để xác định các ma trận A, B, C, D để tính các
thơng số K1, K2, K3, K4.
Khuyết điểm: Vì phải tuyến tính hóa nên khi đối tượng làm việc quá xa điểm
cân bằng ta phải tính lại các thơng số K1, K2, K3, K4 nên địi hỏi phải có bộ xử lý
mạnh để tính các thơng số này hoặc ta phải tính trước.
1.2.2 Two-wheeled inverted pendulum

Hình 1.3 Robot điều khiển bằng logic mờ
Điều khiển dựa trên Fuzzy Logic được nhúng trên FPGA.
Ưu điểm: do Fuzzy Logic được nhúng trên FPGA nên tốc độ đáp ứng rất
nhanh và chính xác, cộng với bộ kinh nghiệm tốt là thế mạnh rất lớn của mơ hình
điều khiển dạng này.

Khuyết điểm: chất lượng bộ điều khiển phụ thuộc rất nhiều bộ kinh nghiệm
của tập mờ. Bộ điều khiển này chỉ có thể áp dụng cho một đối tượng duy nhất và
giá thành rất đắt.

Đồ án tốt nghiệp

3

do an


Chương 1 Tổng Quan
1.2.3 Balance bot I
Balance bot I (do Sanghyuk, hàn quốc thực hiện) là một roboy hai bánh tự cân
bằng bằng cách kiểm sốt thơng tin phải hồi. Hệ thống cao 50cm, khung chính là
bằng nhơm. Nó có hai trục bánh xe nối với bộ giảm tốc và động cơ DC cho sự phát
động. Tổng cộng có ba bộ xử lý Atmel được sử dụng. Vi điều khiển chính thi hành
các ngun lý kiểm sốt và thuật tốn ước lượng. Một vi điều khiển kiểm soát tất cả
các cảm biến analog. Vi điều khiển thứ 3 điều khiển động cơ.

Hình 1.4 Balance bot I
Điều khiển dựa trên bộ điều khiển LQR
Ưu điểm: ổn định một cách bền vững đối với sai số nhân đầu vào đặc biệt là
đối với hệ thống này thì tín hiệu góc pitch của gyro sensor rất biến động. Hệ thống
làm rất ổn định tại điểm làm việc.
Khuyết điểm: Vì phải tuyến tính hóa đối tượng phi tuyến nên khi đối tượng
làm việc quá xa điểm cân bằng ta phải tính lại các thơng số của bộ điều khiển nên
địi hỏi phải có bộ xử lý mạnh để tính lại các thơng số.
1.2.4 Segway
Khơng giống như xe hơi, Segway chỉ có hai bánh - trơng như một chiếc xe đẩy

hai bánh thơng thường, nó có thể kiểm sốt hoạt động ở tư thế thẳng đứng. Để di
chuyển về phía trước hay ra phía sau, người lái chỉ cần hơi nghiêng về phía trước
hay ra sau. Để quẹo trái hay phải người lái chỉ cần quay tay lái về hướng đó. Hoạt
động cân bằng ở Segway là một điều thú vị nhất, đó là chìa khóa của q trình hoạt
động. Xem xét về mơ hình Karmen về thăng bằng của cơ thể người để hiểu hệ

Đồ án tốt nghiệp

4

do an


Chương 1 Tổng Quan
thống làm việc như thế nào. Nếu ta đứng nghiêng về phía trước, khơng cịn thăng
bằng, bạn sẽ ngã về phía trước. Bộ não biết rằng bạn khơng cịn thăng bằng nữa, bởi
vì chất dịch trong tay dao động, nên nó truyền tín hiệu cho chân bạn đặt lên phía
trước là bạn lấy lại cân bằng. Nếu bạn giữ cơ thể mình trong tư thế nghiêng về phía
trước, bộ não điều khiển bạn đặt chân về phía trước và giữ bạn thẳng đứng. Thay vì
ngã, bạn đến trước.

Hình 1.5 Segway
Segway tạo ra khá giống như vậy, ngoại trừ có các bánh xe thay vì đơi chân,
động cơ thay cho cơ bắp, tập hợp các mạch vi xử lý thay cho bộ não và dãy các cảm
biến thay cho hệ thống cân bằng tai trong. Như bộ não của bạn Segway nhận biết
khi ta hướng về phía trước. Để giữ cân bằng nó quay bánh xe đến trước chỉ với tốc
độ vừa phải (chính xác), nên ta di chuyển về phía trước.
Thiết bị lái tận dụng cơng nghệ lái drive-by-wire và thiết bị cơ khí của hệ
thống. Trong khi việc thiết kế bốn bánh mang đến một sự vận động dễ dàng và tốc
độ cao hơn một tí, người lái có thể chọn thiết kế bốn bánh hay chỉ hai bánh.

Điều quan trọng của Segway là sự kết hợp của một dãy các cảm biến, hệ thống
điều khiển và một hệ thống động cơ.Hệ thống cảm biến chủ yếu là sự kết hợp của
con quay hồi chuyển (gyroscope). Một con quay hồi chuyển cơ học cơ bản là một
bánh xe quay tròn bên trong cơ cấu vững chắc. Mục đích của sự quay trịn là kháng
lại sự thay đổi trục quay của nó, bởi vì lực tác động di chuyển dọc theo cơ cấu. Nếu
ta đẩy một điểm bên trên bánh xe quay, ví dụ, điểm này di chuyển quay bánh trước
trong khi nó vẫn cịn giữ lực tác động. Một khi lực giữ di chuyển, nó thúc lực tác
dụng đối diện với điểm cuối của bánh xe. Kết quả là khơng cịn cân bằng lực.

Đồ án tốt nghiệp

5

do an


Chương 1 Tổng Quan
Bởi vì nó kháng đối với lực bên ngồi, bánh xe quay hồi chuyển sẽ duy trì vị
trí của nó trong khơng gian (liên hệ với mặt đất) thậm chí nếu bạn nghiêng nó đi.
Nhưng hệ thống con quay hồi chuyển sẽ di chuyển tự do trong khơng gian. Bằng
việc đo lường vị trí của bánh xe quay liên hệ với cơ cấu, cảm biến chính xác có thể
cho ta biết độ dốc của vật (nó nghiêng bao nhiêu so với vị trí thẳng đứng) cũng như
tốc độ dốc (nó nghiêng như thế nào).
Một con quay hồi chuyển thơng thường sẽ cồng kềnh và khó bảo dưỡng xe,
nên Segway tiếp thu hiệu quả này với hình thức khác của cơ khí. Segway vận dụng
một cảm biến tốc độ nghiêng bán dẫn đặc biệt làm từ silic. Loại con quay hồi
chuyển này quay định sự quay vòng của vật thể sử dụng hiệu ứng Coriolis trên một
lớp rất nhỏ.
Segway HT có năm cảm biến hồi chuyển, mặc dù nó chỉ cần ba cảm biến để
phát hiện mức đẩy ra trước hay ra sau cũng như nghiêng sang bên trái hay bên phải.

Các cảm biến còn lại làm phương tiện chắc chắn hơn. Thêm vào đó, Segway có hai
cảm biến nghiêng chứa đầy dung dịch điện phân. Giống như tai trong, hệ thống
nhận biết vị trí nghiêng có liên hệ với mặt đất trong trạng thái nghiêng của bề mặt
dung dịch.
Tất cả thông tin về trạng thái nghiêng truyền đến “bộ não” của xe, hai bản
mạch điều khiển điện tử bao gồm một board vi mạch xử lý. Segway có tổng cộng
mười bảng mạch vi xử lý, với năng lực gấp ba năng lực của PC điển hình. Thơng
thường cả hai bảng mạch làm việc chung với nhau nếu một bảng bị hư, bảng còn lại
nhận tất cả chức năng để hệ thống báo tín hiệu cho người lái biết sự trục trặt để khởi
động lại.
Segway đòi hỏi năng lực làm việc cao của bộ não vì nó điều chỉnh cực kỳ
chính xác để giữ khơng bị ngã. Trong những máy thông thường, bảng mạch điều
khiển kiểm tra cảm biến khoảng 100 lần/giây. Mạch vi xử lý điều hành phần mềm
tương thích để phát tín hiệu tất cả các thông tin ổn định và điều chỉnh tốc độ cho
nhiều động cơ điện phù hợp. Động cơ điện được nạp năng lượng từ pin (Ni-MH) có
thể sạc lại, làm quay độc lập mỗi bánh xe với tốc độ khác nhau.
Khi xe nghiêng về phía trước, động cơ làm cả hai bánh xe quay về phía trước
và giữ về trạng thái nghiêng. Khi xe nghiêng ra sau, động cơ làm cả hai bánh quay
ra sau. Khi người lái điều khiển tay lái ra trái hay phải, động cơ làm một trong hai
bánh xe quay nhanh hơn bánh kia hay bánh xe quay ngược chiều để xoay vịng. Nó
chỉ đi khoảng 12 dặm/giờ ( 20km/giờ), và nó cần nạp điện khoảng 6 giờ để dự trữ
năng lượng đủ cho một chuyến đi 15 dặm ( 24km).

Đồ án tốt nghiệp

6

do an

Chương 1 Tổng Quan
Segway là lựa chọn cao trong thành phố. Vì các xe hơi đắt tiền và nếu có
nhiều xe trên đường phố sẽ gây ùn tắc giao thông, và thiếu chỗ đậu xe. Tất cả điều
ấy, xe hơi không là phương tiện tối ưu nhất trong các chung cư đông đúc.Segway
không để đưa con người đến nơi muốn đến với độ cao với tốc độ cao nhất, nhưng
Segway có thể di chuyển chậm, nối đi nhau. Một khi nó đến nơi, người lái có thể
mang Segway vào bên trong mà khơng lo lắng vì về chỗ đậu xe. Và cũng không cần
ngừng ở trạm xăng mà chỉ cần nạp điện ở nhà.
Segway cũng là chiếc máy tốt dùng để đi trong các kho hàng, nơi có nhiều
hành lang. Người ta còn nhận thấy sự hữu dụng khi đi quanh trong các khu dân cư,
sân bay hay công viên. Thật sự khơng có giới hạn khơng gian sử dụng xe. Segway
giúp bạn di chuyển nhanh hơn mà không mất nhiều năng lượng.
 Tốc độ cao nhất: 12,5 dặm/giờ (20 km/giờ). Gấp ba lần tốc độ đi bộ bình
thường.
 Trọng lượng không tải: 80 lbs (36 kg).
 Chiều rộng: không gian bao phủ trên mặt đất của Segway là 19 – 25 inch (48
– 63,5 cm). Segway có chiều rộng gần bằng kích thước của một người trung
bình, nên nó khơng mất nhiều diện tích trên đường. Bàn đạp dài 8 inch (20
cm).
 Tải trọng: một người nặng 250 pound (110 kg) với hàng hóa nặng 75 pound
(34 kg).
 Phạm vi: đi khoảng 17 dặm (28 km) với một bình sạc đơn. Trên mơ hình tính
tốn, người thiết kế ước tính xe đi trong phạm vi 11 dặm (17 km) với một
bình sạc đơn.
 Giao diện hiển thị xe hoạt động: Segway có màn hình LCD nhỏ cho người
biết năng lượng pin còn bao nhiêu và hoạt động của xe như thế nào, cịn tốt
khơng. Màn hình trình bày bề mặt hoạt hình, biểu diễn trạng thái chung của
phương tiện.
1.2.5 HTV
Nhóm sinh viên ngành kỹ thuật HTV của trường đại học Camosun gồm các

thành viên Brian Beckwith, Eric Desjardins, Chris Howard, Joel Murphy, Matt
Uganecz, Jack Wooley đến từ các bang khác nhau Victoria, British Columbia của
Canada. Tháng 3/2004, họ đã cho ra đời sản phẩm scooter HTV như một đề án tốt
nghiệp đại học của họ.

Đồ án tốt nghiệp

7

do an


Chương 1 Tổng Quan

Hình 1.6 Xe hai bánh tự cân bằng HTV và nhóm thực hiện
Nhóm HTV đã sử dụng ADXR150EB từ thiết bị analog đo vận tốc nghiêng.
Đó là một gyro tuyệt vời, có các tính năng như: loại bỏ độ rung cao, tỉ số cao
±1500/s., độ nhạy cao 12m V/deg/s, được cài đặt sẵn tín hiệu điều kiện.
MMA2260D từ Motorola, một gia tốc kế có độ nhạy cao (1200m V/G), và cũng
được cài đặt sẵn tín hiệu điều kiện, dùng đo góc nghiêng tĩnh. Bộ điều khiển sử
dụng Logic mờ (Fuzzy Logic) trong việc điều khiển cân bằng và di chuyển xe.
1.3 Mục tiêu đề tài
Mục tiêu của đề tài này là xây dựng hệ thống robot hai bánh tự cân bằng dựa
trên nền tảng lý thuyết mô hình con lắc ngược. Khả năng cân bằng của robot một
cách ổn định sau khi bị tác động.
1.4 Giới hạn đề tài
Trong khuôn khổ 16 tuần thực hiện luận văn tốt nghiệp đại học, những mục
tiêu của đề tài được đưa ra như sau:
 Thi công hệ thống robot hai bánh tự cân bằng.
 Nghiên cứu bộ vi điều khiển ARM Cortex-M4.

 Nghiên cứu lập trình C cho ARM Cortex-M4 bằng IAR.
 Nghiên cứu thiết kế-thi công công phần mạch điều khiển, công suất
 Thiết kế và mô phỏng bộ điều khiển PID Fuzzy trên Simulink.
 Tiến hành thu thập dữ liệu từ mơ hình mơ phỏng để đánh giá đáp ứng của hệ
thống.

Đồ án tốt nghiệp

8

do an


Chương 1 Tổng Quan
 Tiến hành chạy thực nghiệm và phân tích đáp ứng của hệ thống và so sánh
với kết quả mô phỏng.
1.5 Phương pháp nghiên cứu
 Xây dựng mơ hình lý thuyết gồm có:
 Tiếp cận từ mơ hình tương đương - mơ hình con lắc ngược đến mơ hình thật
của đề tài.
 Mơ phỏng mơ hình trên MATLAB.
 Tiếp cận mơ hình thực:
 Thiết kế khung cơ khí cho hệ thống.
 Mạch nguồn 12V và 5V cung cấp cho mạch cầu H, vi điều khiển.
 Module cảm biến Gyro – 86.
 Vi điều khiển trung tâm.
 Lập trình cho vi điều khiển.

Đồ án tốt nghiệp

9

do an


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

do an


Chương 2 Cơ Sở Lý Thuyết
2.1 Thế nào là xe hai bánh tự cân bằng

Hình 2.1 Mơ hình Ngun lý giữ thăng bằng
Đối với các xe ba hay bốn bánh, việc giữ thăng bằng của chúng là do trọng
tâm nằm trong mặt chân đế do các bánh xe tạo ra. Đối với các xe hai bánh có cấu
trúc như xe đạp, việc giữ thăng bằng khi không di chuyển là khơng thể, vì việc giữ
thăng bằng của xe dựa vào tính chất của con quay hồi chuyển ở hai bánh xe khi
đang quay. Còn đối với xe hai bánh tự cân bằng, là loại xe chỉ có hai bánh với trục
của hai bánh trùng nhau, để cho xe cân bằng, trọng tâm của xe (bao gồm người sử
dụng chúng) cần được nằm ngay giữa các bánh xe. Điều này giống như việc ta giữ
một cây gậy thẳng đứng nằm cân bằng trong lịng bàn tay.
Về mặt kỹ thuật, góc của sàn scooter và chiều của trọng lực có thể biết được.
Do vậy, thay vì cách xác định trọng tâm giữa các bánh xe, tay lái cần được giữ
thẳng đứng, vuông gốc với sàn (góc cân bằng khi đó là zero).
.

Hình 2.2 Mô tả cách bắt đầu di chuyển
Nếu tay lái được đẩy hơi nghiêng về trước, scooter sẽ chạy tới trước và khi
được đẩy nghiêng về phí sau, scooter sẽ chạy lùi. Đây là một phân tích lý tính. Hầu

hết mọi người đều có thể kiểm sốt tay lái trong vịng vài giây và giữ lấy nó.Để
dừng lại, chỉ cần kéo trọng tâm về phía ngược với hướng đang di chuyển thì tốc độ

Đồ án tốt nghiệp

10

do an


Chương 2 Cơ Sở Lý Thuyết
xe sẽ giảm. Do tốc độ cảm nhận và phản ứng thăng bằng của mỗi người là khác
nhau, nên xe scooter hai bánh tự cân bằng chỉ thiết kế dành cho một người.
2.2 Tại sao phải thiết kế xe hai bánh cân bằng
Những mobile robot xây dựng hầu
hết robot là những robot di chuyển bằng ba
bánh xe, với hai bánh xe được lắp rắp đồng
trục, và một bánh đi nhỏ. Có nhiều kiểu
khau, nhưng đây là kiểu thơng dụng nhất.
Cịn đối với xe bốn bánh thường một lại
được lắp thêm một bánh lái.
Việc thiết kế ba hay bốn bánh làm
cho xe/mobile robot được thăng bằng ổn
đinh nhờ trọng lượng của nó được chia cho
hai bánh lái chính và bánh đi, hay bất kì
cái nào khác để đỡ trọng lượng của xe.
Nếu trọng lượng được đặt nhiều vào bánh
lái của xe/robot sẽ không ổn định dễ bị
ngã, cịn nếu đặt nhiều vào bánh đi thì
hai bánh chính mất khả năng bám. Nhiều

thiết kế xe/robot có thể dic chuyển tốt trên
đia hình phẳng, nhưng khơng thể di
chuyển trên địa hình lồi lõm (mặt phẳng
nghiêng). Khi di chuyển lên đồi, trọng
lượng của xe/robot dồn vào đuôi xe
làm hai bánh mất khả năng bám và
trượt ngã. Đối với những bậc thang,
thậm chí nó dừng hoạt động và chỉ xoay tròn bánh xe.
Khi di chuyển xuống đồi, sự việc còn tồi tệ hơn, trọng tâm thay đổi về phía
trước và thậm chí xe/robot bị lật úp khi di chuyển trên bậc thang. Hầu hết những
xe/robot có thể leo lên những dốc ít hơn là khi chúng dichuyển xuống, bị lật úp khi
độ dốc chỉ 150 hay 200 . Việc bố trí bốn bánh xe, giống như xe hơi đồ chơi hay các
loại xe bốn bánh đang sữ dụng trong giao thông không gặp vấn đề nhưng điều này
sẽ làm các mobile robot không gọn gàng và thiết kế bộ phận lái (cua quẹo) gặp một
chút phiền tối để có thể đọc chính xác quãng đường đã đi.

Đồ án tốt nghiệp

11

do an