Xây dựng mô hình và thiết kế bộ điều khiển cân bằng robot hai bánh sử dụng vi điều khiển PIC

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP









LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT



NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ




XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ THIẾT KẾ
BỘ ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG ROBOT HAI BÁNH
SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN PIC

NGUYỄN DUY DIỄN




THÁI NGUYÊN 2012
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Trong những năm gần đây, nghiên cứu về robot di động (mobile robot) đã
thu hút nhiều quan tâm của các nhà nghiên cứu trên thế giới. Trong đó lĩnh vực thú
vị nhất và cũng đầy khó khăn là lĩnh vực nghiên cứu về đặc tính động học và điều
khiển cân bằng cho robot di động hai bánh. Nhiều nghiên cứu khác nhau đã được
thực hiện bởi các nhà nghiên cứu khoa học khác nhau. Một ví dụ là robot
MURATA được phát triển tại Nhật Bản năm 2005. Việc điều khiển cân bằng cho
Robot hai bánh có thể được ứng dụng rộng sang lĩnh vực điều khiển cho robot đi
bằng hai chân, như robot ASIMO, bởi vì nguyên tắc điều khiển cân bằng là như
nhau.
Có một số phương pháp được sử dụng để điều khiển cân bằng cho robot hai
bánh, đó là: Cân bằng bằng cách sử dụng một bánh đà (flywheel) như trong các
nghiên cứu bởi Beznos, Gallaspy, Lenskii, và Suprapto. Cân bằng bằng cách di
chuyển tâm trọng lực (COG) như trong các nghiên cứu của Lee & Ham và Jamakita
et al và cân bằng nhờ lực hướng tâm như trong nghiên cứu của Getz và Guo. Trong
các phương pháp trên, cân bằng bằng cách sử dụng bánh đà có ưu điểm là đáp ứng
nhanh và có thể cân bằng được ngay cả khi robot không di chuyển.
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
a. Ý nghĩa khoa học:
ng dụng các kết quả nghiên cứu l thuyết, đề tài s xây dựng mô hình và

thiế t kế bộ điều khiển cân bằng Rô bốt hai bánh sử dụng vi điều khiển PIC . Đề tài
minh chứ ng tí nh đú ng đắ n củ a hướ ng nghiên cứ u , khẳ ng đị nh độ tin cậ y củ a cá c kế t
quả nghiên cứu.
b. Ý nghĩa thực tiễn:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Đề tài tập trung thiết kế một hệ thống giữ thăng bằng cho xe mô tô dựa trên
nguyên l làm việc của con quay hồi chuyển. Khi hệ thống được lắp đặt trên xe, nó
có chức năng giữ cho xe cân bằng trong mọi tình huống (đứng yên, chuyển động
hoặc chịu tác động của va đập). Để thực hiện được yêu cầu trên, hệ thống được
trang bị một bánh đà (fly-wheel) quay với tốc độ cao. Sử dụng cảm biến title sensor
để đo góc nghiêng của hệ so với phương thẳng đứng, căn cứ vào góc nghiêng s
điều khiển trục của hệ bánh đà (theo một thuật toán điều khiển, ví dụ thuật toán
PID) sao cho tạo ra lực cần thiết cân bằng cho hệ.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1. Đặt vấn đề
Luận văn là sự kết hợp  tưởng về cách giữ thăng bằng của con người trên
đôi chân và độ cơ động trong di chuyển của các loại xe di chuyển bằng bánh. Thông
qua nghiên cứu, ta có thể phần nào nắm bắt những  tưởng giữ thăng bằng cho các
loại humanoid robot (robot dạng người), cách phối hợp và xử l tín hiệu tốt nhất từ
cảm biến.
Mô hình là một chiếc xe có hai bánh được đặt dọc trục với nhau (khác với xe
đạp là trục của hai bánh xe song song). Trên mô hình sử dụng các cảm biến để đo
góc nghiêng của thân xe, vận tốc quay (lật) của sàn xe quanh trục bánh và vận tốc di
chuyển của xe so với mặt đất. Nhờ các cảm biến này, xe s có thể tự giữ thăng bằng
và di chuyển. Với cấu trúc này, trọng tâm của mô hình phải luôn nằm trong vùng đỡ
của bánh xe (supporting area) để có thể thăng bằng khi di chuyển ở mọi bề mặt từ

đơn giản đến phức tạp.
Trong hệ thống các cảm biến, để loại trừ các tín hiệu nhiễu từ hệ thống và
nhiễu từ tín hiệu đo, sai số của ngõ ra, đồng thời có thể ước lượng chính xác giá trị
đo trong tương lai của cảm biến cũng như kết hợp các tín hiệu, bộ lọc Kalman được
nghiên cứu và sử dụng nhằm cho một kết quả tối ưu về tình trạng của xe gồm góc
nghiêng, vận tốc quay của xe từ mô hình và các cảm biến thành phần.
Nói cách khác, hệ thống xử l tín hiệu và lọc Kalman là công cụ để biến các
cảm biến đơn giản, giá rẻ thành tập hợp cảm biến có giá trị trong hệ thống. Từ các
tín hiệu đo, thông qua một số đại lượng đặc trưng của mô hình (khối lượng, chiều
dài, chiều cao vật, đường kính bánh…) ta s tính được momen quán tính nghiêng
(lật của mô hình), từ đó đưa ra các giá trị điều khiển phù hợp cho các bánh xe để giữ
cho mô hình luôn đứng vững hoặc di chuyển với một vận tốc ổn định.
1.1.1. Thế nào là xe hai bánh tự cân bằng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Đối với các xe ba hay bốn bánh, việc thăng bằng và ổn định của chúng là
nhờ trọng tâm của chúng nằm trong bề mặt chân đế do các bánh xe tạo ra. Đối với
các xe 2 bánh có cấu trúc như xe đạp, việc thăng bằng khi không di chuyển là hoàn
toàn không thể, vì việc thăng bằng của xe dựa trên tính chất 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 xe trùng nhau, để cho xe cân bằng, trọng tâm của xe
(bao gồm cả người sử dụng chúng) cần được giữ nằm ngay giữa các bánh xe. Điều
này giống như ta giữ một cây gậy dựng thẳng đứng cân bằng trong lòng bàn tay.

Hình 1. 1 Mô tả nguyên lý giữ thăng bằng
Thực ra, trọng tâm của toàn bộ scooter không được biết nằm ở vị trí nào,
cũng không có cách nào tìm ra nó, và có thể không có khả năng di chuyển bánh xe
đủ nhanh để giữ nó luôn ở dưới toàn bộ trọng tâm. Về mặt kỹ thuật, góc giữa sàn
scooter và chiều trọng lực có thể biết được. Do vậy, thay vì tìm cách xác định trọng
tâm nằm giữa các bánh xe, tay lái cần được giữ thẳng đứng, vuông góc với sàn xe

(góc cân bằng khi ấy là zero).
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


Hình 1. 2 Mô tả cách di chuyển
Nếu tay lái được đẩy hơi nghiêng tới trước, scooter s chạy tới trước và khi
nó được đẩy nghiêng ra sau, scooter s chạy lùi. Đây là một phân tích l 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 scooter hai bánh tự cân bằng chỉ được thiết kế cho một người sử dụng.
1.1.2. Tại sao phải thiết kế xe hai bánh tự cân bằng

Hình 1. 3 Mô tả trạng thái xe di chuyển trên địa hình phẳng
Những mobile robot xây dựng hầu hết robot là những robot di chuyển bằng
ba bánh xe, với hai bánh lái được lắp ráp đồng trục, và một bánh đuôi nhỏ. Có nhiều
kiểu khác nhau, nhưng đây là kiểu thông dụng nhất. Còn đối với các xe 4 bánh,
thường mộ tầu xe có hai bánh truyền động và đầu xe còn lại được gắn một hoặc hai
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

bánh lái.

Hình 1. 4 Mô tả trạng thái xe hai bánh di chuyển trên địa hình phẳng, dốc
Việc thiết kế ba hay bốn bánh làm cho xe/mobile robot được thăng bằng ổn
định nhờ trọng lượng của nó được chia cho hai bánh lái chính và bánh đuôi, hay bất
kỳ cái gì khác để đỡ trọng lượng của xe. Nếu trọng lượng được đặt nhiều vào bánh
lái thì xe/robot s không ổn định dễ bị ngã, còn nếu đặt nhiều vào bánh đuôi thì hai
bánh chính s mất khả năng bám. Nhiều thiết kế xe/robot có thể di chuyển tốt trên
địa hình phẳng, nhưng không thể di chuyển lên xuống trên địa hình lồi lõm (mặt
phẳng nghiêng). Khi di chuyển lên đồi, trọng lượng xe trên robot dồn vào đuôi xe

làm bánh lái mất khả năng bám và trượt ngã, đối với những bậc thang, thậm chí nó
dừng hoạt động và chỉ quay tròn bánh xe.
Khi di chuyển xuống đồi, sự việc còn tệ hơn, tâm thay đổi về phía trước và
thậm chí làm xe trên robot bị lật úp khi di chuyển bậc thang. Hầu hết những xe trên
robot này có thể leo lên những dốc ít hơn là khi chúng di chuyển xuống, bị lật úp
khi độ dốc chỉ 15
o
hay 20
o
. Việc bố trí bốn bánh xe, giống như xe hơi đồ chơi hay
các loại xe bốn bánh hiện đang sử dụng trong giao thông không gặp vấn đề nhưng
điều này s làm các mobile robot không gọn gàng và thiết kế bộ phận lái (cua quẹo)
gặp một chút phiền toái để có thể xác định chính xác quãng đường đã đi lại, các xe
dạng hai bánh đồng trục lại thăng bằng rất linh động khi đi trên địa hình phức tạp,
mặc dù bản thân là một hệ thống không ổn định. Khi nó leo sườn dốc, nó tự động
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

nghiêng ra trước và giữ cho trọng lượng dồn về hai bánh lái chính. Tương tự vậy,
khi bước xuống dốc, nó nghiêng ra sau và giữ trọng tâm rơi vào các bánh lái. Chính
vì vậy, không bao giờ có hiện tượng trọng tâm của xe rơi ra ngoài vùng đỡ của các
bánh xe để có thể gây ra sự lật úp.
Đối với những địa hình lồi lõm và những ứng dụng thực tế, sự thăng bằng
của xe hai bánh có thể s mang lại nhiều  nghĩa thực tiễn trong giới hạn ổn định
hơn là đối với xe ba bánh truyền thống.
1.1.3. Ƣu và nhƣợc điểm của xe hai bánh tự cân bằng
1.1.3.1. Ƣu điểm
- Không ô nhiễm, sử dụng bình điện, và có thể sạc điện.
- Sử dụng không gian hiệu quả, đa năng (sử dụng trong nhà và ngoài phố).
- Dễ dàng lái xuống đường, dừng lại và trò chuyện với bạn bè. Scooter tự cân
bằng này khác hẳn với các loại xe đạp hay xe đẩy bình thường, vì chúng dễ kéo đẩy

và không gây khó khăn khi dừng lại.
- Khá dễ để lái vòng quanh trong văn phòng, chạy ngang qua cửa ra vào do
tốc độ thấp. Ngoài ra, nó còn có thể xuống các bậc thềm/ bậc thang thấp.
- Chiếm ít diện tích (chỉ hơn một con người) nên nó không gây tắc nghn giao
thông như các loại xe bốn bánh. Như một phương tiện vận chuyển trên vỉa hè, nó
cho phép di chuyển trong nơi đông đúc, và hoàn toàn có thể đi trên lòng đường.
- Giá thành thấp hơn so với xe hơi.
- Cuốn hút người sử dụng cũng như mọi người xung quanh vì hình dáng kỳ lạ
của nó, phá vỡ các hình ảnh thường thấy về các phương tiện giao thông của con
người.
1.1.3.2. Nhƣợc điểm
- Không thể thư giãn và khá mệt khi lái do phải đứng trong khi điều khiển. Vì
đứng trên mặt sàn rung (do động cơ gây ra) và cứng làm chân mỏi. Do luôn giữ tư
thế thẳng đứng để trọng lượng cơ thể đặt ở trọng tâm và đôi lúc gặp những đoạn
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

đường xấu khiến cơ thể người điều khiển mệt mỏi.
- Không thể làm các việc khác khi đứng trên scooter này, chẳng hạn vừa đi
vừa nghe điện thoại, hoặc vừa uống nước.
- Scooter không đủ nhanh để đi đường trường và không đủ an toàn để lên.
- Không thể vận chuyển hai người trên cùng một xe. Việc này không thành
vấn đề khi xe tự cân bằng đóng vai trò một platform của mobile robot, vì khối lượng
tải là tĩnh.
- Không thể leo bậc thang có chiều cao quá bán kính bánh xe.
1.1.4. Tính ứng dụng của xe hai bánh tự cân bằng
Xây dựng được một phương tiện vận chuyển mới trong khu vực chật hẹp có
thể di chuyển ngay trong các chung cư tòa nhà cao tầng, dùng trợ giúp di chuyển
cho người già, và trẻ em vận chuyển. Làm phương tiện vận chuyển hàng hoá đến
những nơi đã được lập trình sẵn ở trong các tòa nhà, phòng làm việc, những không
gian chật hẹp, khó xoay trở. Thậm chí kết hợp trên đường, robot lái mặt đường thì

hiệu quả các công dụng cụ thể cực kỳ linh hoạt. Tuy vậy, cần phải tiến hành giải
quyết thêm về phần xuống cầu thang (không thể leo lên các bậc thang cao).

1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc
Hiện nay chưa có thông tin cụ thể nào về việc chế tạo xe hai bánh tự cân
bằng dùng trên robot cũng như xe hai bánh tự cân bằng ở Việt Nam. Nhưng trên thế
giới, ở một vài nước, các kỹ thuật viên và một số sinh viên đã nghiên cứu và cho ra
đời các dạng xe hai bánh như thế. Dưới đây là một số thông tin:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

1.2.1. nbot
nBot do David P. Anderson sáng chế. nBot được lấy  tưởng để cân bằng
như sau: các bánh xe s phải chạy xe theo hướng mà phần trên robot sắp ngã. Nếu
bánh xe có thể được lái theo cách đứng vững theo trọng tâm robot, robot s vẫn
được giữ cân bằng. Trong thực tế, điều này đòi hỏi hai cảm biến thông tin phản hồi:
cảm biến góc nghiêng để đo góc nghiêng của robot với trọng lực, và encoder trên
bánh xe để đo vị trí cơ bản của robot. Bốn thông số ngõ vào để xác định hoạt động
và vị trí của xe con lắc ngược cân bằng là:
 Góc nghiêng.
 Đạo hàm của góc nghiêng, vận tốc góc.
 Vị trí bánh xe.
 Đạo hàm vị trí bánh, vận tốc bánh xe.

Hình 1. 5 Xe nbot
Bốn giá trị đo lường được cộng lại và phản hồi tới điện áp động cơ, tương
ứng với momen quay, cân bằng, và bộ phận lái robot.
1.2.2. Balance-bot I
Balance-bot I (do Sanghyuk, Hàn Quốc thực hiện) là một robot hai bánh tự
cân bằng bằng cách kiểm soát thông tin phản hồi. Hệ thống cao 50 cm, khung chính
được làm bằng nhôm, có hai trục bánh xe nối với hộp giảm tốc và động cơ DC cho

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

sự phát động. Tổng cộng có ba bộ vi xử l Atmel được sử dụng. Vi điều khiển
chính (master) thi hành những nguyên l kiểm soát và thuật toán ước lượng. Một vi
điều khiển khác kiểm soát tất cả cảm biến analog. Vi điều khiển thứ ba điều khiển
động cơ DC.

Hình 1. 6 Xe Balance-bot I
Linear quadratic regulator (LQR) được thiết kế và thực thi mạch điều khiển.
Nó có bốn giá trị khác nhau – góc nghiêng, vận tốc góc nghiêng, góc quay bánh xe,
và vận tốc góc quay, sau đó nó tạo lệnh cho động cơ DC để điều chỉnh tốc độ bánh
xe.
1.2.3. Đại học sƣ phạm thành phố Hồ Chí Minh
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


Hình 1. 7 Phạm Ngọc Anh Tùng bên chiếc SCOSTER của mình
Phạm Ngọc Anh Tùng, tác giả của chiếc xe hai bánh, lấy  tưởng từ cách
giữ thăng bằng của con người trên đôi chân và độ cơ động trong di chuyển của các
loại xe di chuyển bằng bánh. Theo một cách nào đó, nếu các bánh xe được lái để
giữ cho trọng tâm của robot ở phía dưới, robot s giữ được cân bằng. Chiếc xe hai
bánh tự cân bằng chạy bằng điện nên hạn chế ô nhiễm ra môi trường, bộ điều khiển
tiết kiệm năng lượng, dễ lái, dễ kéo đẩy và không gây khó khăn khi dừng lại, khá dễ
khi lái vòng quanh trong văn phòng, chạy ngang qua cửa ra vào do tốc độ thấp.
Ngoài ra, nó còn có thể xuống các bậc thềm thấp.
1.2.4. Đại học sƣ phạm kỹ thuật Hƣng Yên (Biclycle Robot)
Tác giả của chiếc xe này là du học sinh của Việt Nam tại THÁI LAN thực
hiện, đề tài thực hiện dựa trên nguyên l cân bằng của con quay hồi chuyển.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Hình 1. 8 Biclycle Robot
1.2.5. Lit motors

Hình 1. 9 Lit Motors
Là mẫu xế điện dành cho 2 người ngồi, C-1 sử dụng hệ thống cân bằng hồi
chuyển điều khiển bằng điện tử để đứng thẳng khi dừng lại hoặc bị đâm từ bên hông
trong trường hợp xảy ra tai nạn. Về cơ bản, đây là sản phẩm của hãng Lit Motors
đặt trụ sở tại San Francisco do nhà thiết kế công nghiệp và ôtô Daniel Kim đứng
đầu. Những phiên bản khác nhau s xuất hiện tại nhiều quốc gia trên thế giới. Đối
với những thị trường đã phát triển, C-1 s được trang bị cụm pin 8-10 kWh. Trong
khi đó, phiên bản tích hợp môtơ điện trên hai bánh s dành cho các quốc gia đang
phát triển. Vận tốc tối đa của C-1 dự kiến đạt 193 km/h với phạm vi hoạt động từ
241-354 km sau một lần sạc, tùy thuộc vào kích cỡ cụm pin.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

1.2.6. Loại robot phục vụ con ngƣời, kiểu rolling phục vụ con ngƣời của hãng
TOYOTA

Hình 1. 10 Murata boy and girl của TOYOTA
Công ty Murata Manufacturing của Nhật Bản đã tạo ra con robot đi xe đạp
để trình diễn một số cảm biến khác nhau của họ. Robot có tên là Murata Girl and
Murata Boy được trang bị bốn loại cảm biến: cảm biến con quay hồi chuyển được
sử dụng để phát hiện vận tốc góc và độ nghiêng, cảm biến siêu âm để phát hiện
những trở ngại, và một cảm biến va chạm phát hiện thô bề mặt. Robot được kết nối
với PC thông qua kết nối mạng LAN không dây. Robot có thể di chuyển về phía
trước, dừng lại, và lùi lại và có thể theo con đường lập trình trước, thậm chí có thể
cân bằng trong khi xe dừng hoàn toàn.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

1.2.7. Cycling Robot
Đây là con robot do Masahiko Yamaguchi sáng tạo ra. Nó có thể tự giữ
thăng bằng khi cưỡi trên một chiếc xe đạp bằng chính đôi chân của mình và giữ
thăng bằng bằng cách sử dụng tay lái. Hệ thống robot 1 con robot và 1 chiếc xe đạp
của yamaguchi. Con quay hồi chuyển TAG 201 của Tamagawa Seiki được sử dụng
để phát hiện góc nghiêng của robot. Dựa trên các dữ liệu về độ nghiêng tác giả sử
dụng phương pháp điều khiển PID để điều khiển tay lái. Mạch điều khiển sử dụng
CPU SH7125 với tốc độ xử l cao và ổn định. Hoạt động của robot được điều khiển
từ xa. Bởi vì không có hệ thống phanh robot dừng lại bằng cánh đưa chân khác
xuống và đặt phẳng trên mặt đất.

Hình 1. 11 Cycling Robot

1.3. Nhu cầu thực tế
Hiện tại, trong điều kiện đường xá giao thông ngày càng chật hẹp, không khí
ngày càng ô nhiễm, việc nghiên cứu và chế tạo một mô hình xe điện gọn nhẹ, dễ
xoay xở, không sử dụng nhiên liệu đốt trong là một nhu cầu thực sự. Bên cạnh đó,
thiết kế một platform cho mobile robot cũng là một đề tài cần thiết trong lĩnh vực tự
động hóa ngày nay, nhằm trợ giúp cho trẻ em, người già, vận chuyển hàng hóa,
giám sát… trong cuộc sống hàng ngày vốn có nhiều nhu cầu trong việc đi lại và vận
chuyển tại các thành phố lớn.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Về khía cạnh khoa học và công nghệ, mô hình xe hai bánh tự cân bằng thực
sự là một bước đệm quan trọng để có kinh nghiệm trong việc tính toán, mô hình và
chế tạo các robot hai chân (biped-robot, humanoid robot), là đỉnh cao về khoa học
và công nghệ mà các trường đại học trên toàn thế giới mong muốn vươn tới. Ngoài
ra, mô hình cũng s là sự bổ sung cần thiết về các giải pháp công nghệ di chuyển
của các mobile robot 3 bánh, 4 bánh cũng như mobile robot có chân, làm phong phú
những lựa chọn giải pháp để chuyển động trong không gian cho các robot.

Về yếu tố tâm l con người, mô hình xe hai bánh tự cân bằng thực sự là một
dấu chấm hỏi lớn cho những người từng thấy hay dùng nó: tại sao có thể di chuyển
và thăng bằng được? Điều này cuốn hút nhu cầu được sử dụng một chiếc xe hai
bánh tự cân bằng. Và đó chính là l do của sự thành công lớn trên thế giới của mô
hình xe Lit motor C-1.
Vớí những l do khách quan và nhu cầu thực tế của cuộc sống nhu đã nêu,
đề tài có l có một nhu cầu nhất định trong tình hình hiện nay của Việt Nam cũng
như toàn thế giới, đề tài s là tiền đề để cho chúng ta phát triển thành sản phầm
thương mại hóa đưa vào đời sống cho con người trên thế giới.

1.4. Mục tiêu của đề tài
Mục tiêu của đề tài là xây dựng mô hình và thiết kế bộ điều khiển xe hai
bánh cân bằng di chuyển trên địa hình phẳng, dựa trên nền tảng l thuyết mô hình
con lắc ngược. Khả năng di chuyển cân bằng trên hai bánh làm phương tiện di
chuyển hiệu quả và linh động hơn, dễ dàng xoay trở trong điều kiện không gian chật
hẹp. Trong khuôn khổ 6 tháng thực hiện luận văn, những mục tiêu của đề tài được
đề ra như sau:
1. Tìm hiểu về các loại scooter, nguyên l cơ bản về cân bằng.
2. Trình bày cơ sở l thuyết về các robot cân bằng và các ứng dụng của nó, cơ
sở l thuyết về cân bằng robot.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

3. Thiết kế sơ đồ khối, sơ đồ nguyên l, tính toán thi công mạch cảm biến và
mạch điều khiển cho Robot.
4. Nghiên cứu về thuật toán điều khiển PID và thuật toán điều khiển H
2
/H
∞
số
và thực hiện bộ điều khiển PID số trên vi điều khiển AVR cho robot hai bánh tự cân

bằng.
5. Xây dự ng mô hì nh hệ th ống Robot hai bánh tự cân bằng , lập trình điều
khiển.

1.5. Phƣơng pháp nghiên cứu
1.5.1. Xây dựng mô hình lý thuyết
- Tiếp cận từ mô hình tương đương, mô hình con quay hồi chuyển, mô hình
con lắc ngược đến mô hình thật của đề tài.
- Mô phỏng mô hình bằng MATLAB.

1.5.2. Xây dựng mô hình thực
- Thiết kế mô hình.
- Tính toán công suất điện và điện tử (điều khiển bánh xe).
- Tính toán mạch cảm biến (góc, vị trí, vận tốc góc và vận tốc dài).
- Tính toán bộ điều khiển trung tâm.
- Lập trình vi điều khiển PIC.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


CHƢƠNG 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
Bộ điều khiển PID là một bộ điều khiển vòng kín được sử dụng rộng rãi
trong công nghiệp. Sử dụng bộ điều khiển PID để điều chỉnh sai lệch giữa giá trị đo

được của hệ thống (process variable) với giá trị đặt (setpoint) bằng cách tính toán và
điều chỉnh giá trị điều khiển ở ngõ ra.
Sơ đồ một hệ thống điều khiển dùng PID:

Hình 2. 1 Sơ đồ hệ thống điều khiển dùng PID
Một bộ điều khiển PID gồm 3 thành phần: P (proportional) – tạo tín hiệu
điều khiển tỉ lệ với sai lệch (error – e), I (integral) – tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với
tích phân theo thời gian của sai lệch, và D (derivative) – tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ
với vi phân theo thời gian của sai lệch.
Bộ PID có cấu trúc đơn giản, dễ sử dụng nên được sư dụng rộng rãi trong
điều khiển các đối tượng SISO theo nguyên l hồi tiếp (hình 2.2). Bộ PID có nhiệm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

vụ đưa sai lệch e(t) của hệ thống về 0 sao cho quá trình quá độ thỏa mãn các yêu
cầu cơ bản về chất lượng:
- Nếu sai lệch tĩnh e(t) càng lớn thì thông qua thành phần tín hiệu điều chỉnh
u(t) càng lớn.
- Nếu sai lệch e(t) chưa bằng 0 thì thông qua thành phần u
I
(t), PID
vẫn còn tạo tín hiệu điều khiển.
- Nếu sự thay đổi của sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần u
D
(t),
phản ứng thích hợp của u(t) s càng nhanh.

Hình 2. 2 Điều khiển hồi tiếp với bộ điều khiển PID
u(t) = K
p
.e(t) + K

l
.

dtt)(
+K
D
.
dt
tde )(

Trong đó:
e(t) - là tín hiệu đầu vào.
u(t) - là tín hiệu đầu ra.
Từ mô hình vào ra trên ta có được hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID:
R
s
= K
p
(1+
I
Ts.
1
+T
D
.s)
2.1.2. Khâu P
Khâu P tạo ra tín hiệu điều khiển tỉ lệ với giá trị của sai lệch. Việc này được
thực hiện bằng cách nhân sai lệch e với hằng số K
P
– gọi là hằng số tỉ lệ.

Khâu P được tính dựa trên công thức:
P
out
= K
p.
e(t)
Với: P
out
: giá trị ngõ ra
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

K
P
: hằng số tỉ lệ
e: sai lệch: e = SP – PV
Sơ đồ khối của khâu P:



Hình 2. 3 Sơ đồ khối khâu P
Hàm truyền:
G
p
(S) = K
P
Nếu chỉ có khâu P thì trong mọi trường hợp sai số tĩnh luôn xuất hiện, trừ khi
giá trị đầu vào của hệ thống bằng 0 hoặc đã bằng với giá trị mong muốn. Trong hình
sau thể hiện sai số tĩnh xuất hiện khi thay đổi giá trị đặt.

Hình 2. 4 Đáp ứng của khâu P

Nếu giá trị khâu P quá lớn s làm cho hệ thống mất ổn định.

e(t)
K
p
u(t)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

2.1.3. Khâu I
Khâu I cộng thêm tổng các sai số trước đó vào giá trị điều khiển. Việc tính
tổng các sai số được thực hiện liên tục cho đến khi giá trị đạt được bằng với giá trị
đặt, và kết quả là khi hệ cân bằng thì sai số bằng 0.
Khâu I được tính theo công thức:
I
out
= K
i
.

t
dtte
0
).(

Với: I
OUT
: giá trị ngõ ra khâu I
K
i

: hệ số tích phân
e: sai số: e = SP – PV
Sơ đồ khối khâu I:




Hình 2. 5 Sơ đồ khối khâu I
Hàm truyền:
G(s) =
)(
)(
sE
sU
=
S
K
I
=
I
TS.
1

Khâu I thường đi kèm với khâu P, hợp thành bộ điều khiển PI. Nếu chỉ sử
dụng khâu I thì đáp ứng của hệ thống s chậm và thường bị dao động.
Hình sau chỉ ra sự khác biệt giữa khâu I và PI:

Hình 2. 6 Đáp ứng của khâu I và PI
Ta có thể nhận thấy là khâu I làm cho đáp ứng của hệ thống bị chậm đi rất
nhiều, còn khâu PI giúp triệt tiêu sai số xác lập.

e(t)
K
i
u(t)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

2.1.4. Khâu D
Khâu D cộng thêm tốc độ thay đổi sai số vào giá trị điều khiển ở ngõ ra. Nếu sai
số thay đổi nhanh thì s tạo ra thành phần cộng thêm vào giá trị điều khiển. Điều
này cải thiện đáp ứng của hệ thống, giúp trạng thái của hệ thống thay đổi nhanh
chóng và mau chóng đạt được giá trị mong muốn.
Khâu D được tính theo công thức:
D
out
= K
d
.
dt
de

Với: D
OUT:
ngõ ra khâu D
K
D
: hệ số vi phân
e: sai số: e = SP – PV
Sơ đồ khối khâu D:

Hình 2. 7 Sơ đồ khối khâu D
Hàm truyền:
G(s) =
)(
)(
sE
sU
= K
d
.s
Khâu D thường đi kèm với khâu P thành bộ PD, hoặc với PI để thành bộ PID.
e(t)
K
d
u(t)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


Hình 2. 8 Đáp ứng của khâu D và PD
Theo hình trên, bộ PD tạo đáp ứng có thời gian tăng trưởng nhỏ hơn so với
bộ P. Nếu giá trị D quá lớn s làm cho hệ thống không ổn định.
2.1.5. Tổng hợp 3 khâu-bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển PID là cấu trúc ghép song song giữa 3 khâu P, I và D.
Phương trình vi phân của bộ PID l tưởng:
u(t) = K
p
e(t) + K
I

.

dtte )(
+ K
D
.
dt
tde )(

Sơ đồ khối:

Hình 2. 9 Sơ đồ 3 khâu PID

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Đáp ứng của bộ PID:

Hình 2. 10 Đáp ứng của khâu P, PI và PID
2.1.6. Rời rạc hóa bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển số không thể lấy mẫu liên tục theo thời gian, nó cần được rời
rạc ở một vài mức. Khi cho hệ số lấy mẫu ngắn bên trong thời gian vi phân có thể
đạt được xấp xỉ một sai phân có giới hạn và tích phân qua việc lấy tổng. Chúng ta s
quan tâm mỗi dạng ở một thời điểm, và sai số được tính ở mỗi khoảng lấy mẫu:
e(n) = X(n) – Y(n)
Bộ PID rời rạc đọc sai số, tính toán và xuất ngõ ra điều khiển theo một
khoảng thời gian xác định (không liên tục) – thời gian lấy mẫu T. Thời gian lấy mẫu
cần nhỏ hơn đơn vị thời gian của hệ thống.
Không giống các thuật toán điều khiển đơn giản khác, bộ điều khiển PID có
khả năng xuất tín hiệu ngõ ra dựa trên giá trị trước đó của sai số cũng như tốc độ
thay đổi sai số. Điều này giúp cho quá trình điều khiển chính xác và ổn định hơn.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


Hình 2. 11 Sơ đồ khối PID
Hàm truyền của hệ thống:

s
u
(s) = H(s) = K
p
(1+
I
Ts.
1
+T
d
.s)
Hàm chuyển đổi:
u (t) = K
p
[e(t)+
i
T
1

i
de
0
)(


+ T
d
dt
tde )(
]
Tính gần đúng theo công thức:


t
de
0
)(


T


n
k
ke
0
)(
dt
tde )(

T
nene )1()( 
t = nT
Với n là bước rời rạc tại t.
Kết quả thu được:

u(n) = K
P
e(n)+K
i


n
k
ke
0
)(
+
K
d
[e(n)-e(n-1)]
Với:
K
i
=
i
p
T
TK

K
d
=
T
TK
dp