ĐỀ tài THIẾT kế, CHẾ tạo và điều XE HAI BÁNH DI CHUYỂN và tựcân BẰNG

ĐỒ ÁN MÔN HỌC
THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
ĐỀ TÀI : THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU XE HAI BÁNH DI CHUYỂN VÀ TỰ
CÂN BẰNG

Giáo viên hướng dẫn : TS Lê Ngọc Bích
Sinh viên thực hiện:
Nguyễn Văn Phi

21002373

Hồng Triệu Phú

21002416

Phạm Anh Quân

21002626

Phạm Trường Sơn

21002773


I. TỔNG QUAN VỀ XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG
1. Ý TƯỞNG
- Xe hai bánh tự cân bằng xuất phát từ ý tưởng đã được thương mại hóa của công ty
Segway: kết hợp ý 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.
- Xây dựng một phương tiện vận chuyển mới trong khu vực chật hẹp, dung trợ giúp
di chuyển cho người già và trẻ em

2. THẾ NÀO LÀ 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
thì trọng tâm của xe(bao gồm cả người sử dụng) cần được giữ nằm ngay giửa các
bánh xe.

3. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG
- Hoạt động dựa trên mô hình con lắc ngược gắn với hệ hai bánh được điều khiển
với nhau .


-

Sơ đồ nguyên lý:

4. ƯU - NHƯỢC ĐIỂM
Ưu 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 sử dụng và không gây khó khan khi dừng lại.
Tốc độ thấp nên an toàn cho người sử dụng.
Có thể lên xuống bậc thang.
Chiếm ít diện tích, hạn chế tắc nghẽn giao thong.
Giá thành tương đối thấp.
Kiểu dáng đặc biệt, cuốn hút người sử dụng, phá vỡ các hình ảnh thường thấy về các
loại phương tiện giao thong.

Nhược điểm:
- Không thể thư giãn và khá mệt do phỉa đứng trong khi điều khiển. Mặt sàn rung (do

động cơ gây ra) và cứng làm chân mỏi.
- Không thể làm việc khác khi đang đi xe.
- Không đủ nhanh để đi đường trường.
- Tải trọng có giới hạn, không thể hai người trên một xe.
- Không thể leo bậc thang có chiều cao quá ½ bán kính bánh xe.

5. MỘT SỐ MÔ HÌNH TRÊN THẾ GIỚI
Trên thế giới cũng đã có một số nước đã nghiên cứu và cho ra đời những loại xe hai bánh tự cân
bằng, sau đây là một số thong tin về chúng
-

Balance bot I : Sanghyuk, Hàn Quốc thực hiện


-

Balance robot (Bbot) : Jack Wu và Jim Bai, đại học Carnegie

-

JOE : phòng thí nghiệm điện tử công nghiệp của Viện Công Nghệ Federal,
Lausanne, Thụy Sỹ


-

Equibot : do Dan Piponi thực hiện.

-

Balibot


-

Bender : do Ted Larson, San Fransisco thực hiện.

-

Segway


-

Balancing Scooter


II.
1.

ĐẶT VẤN ĐỀ
MỤC ĐÍCH

Thiết kế, chế tạo và điều khiển một xe hai bánh có khả năng di chuyển và tự cân bằng:.
-

Cân bằng theo phương ngang.
Thời gian để robot tự cân bằng ngắn.
Khoảng chạy để robot tự cân bằng ngắn
Bỏ qua ma sát

Input: góc giữa thân xe so với phương ngang.
Output: vận tốc hoặc góc quay của động cơ.
Các kích thước: 𝑑𝑤 < 200 𝑚𝑚, 300 ≤ 𝑙𝑎 ≤ 500 𝑚𝑚, 𝑤𝑏 ≤ 300 𝑚𝑚

2. CÁC PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
a. Về phương pháp cân bằng
PHƯƠNG ÁN 1: sử dụng đĩa xoay tạo momen xoắn


 Nguyên lý:
Ta sử dụng một đĩa tròn có khối lượng m quay quanh trục song song với trục bánh xe,
trục của đĩa nối cứng với thân xe, khi đĩa quay sẽ tạo momen xoắn làm thay đổi góc nghiên của
thân xe.
 Ưu điểm:
- Xe có thể cân bằng tại chổ.
- Không đòi hỏi động cơ có số vòng quay lớn.
- Không cần đổi chiều chuyển động của xe khi cân bằng
 Nhược điểm:
- Cơ cấu phức tạp.
- Đòi hỏi đĩa xoay không được lệch tâm
PHƯƠNG ÁN 2: Sử dụng khối nặng thay đổi trọng tâm
 Nguyên lý: Thay đổi trọng tâm của hệ bằng cách thay đổi góc giữa thân xe và khối nặng.

 Ưu điểm:
- Khả năng cân bằng tạo chổ.
 Nhược điểm:
- Cơ cấu cồng kềnh
- Khối nặng có quán tính nên thời gian đáp ứng của hệ chậm.
PHƯƠNG ÁN 3: Sử dụng cơ cấu con lắc ngược.
 Nguyên lý:

-

-

Khi robot đứng cân bằng thì góc nghiêng 𝜃 của than robot và trục thẳng đứng
(trục của lực trọng trường) bằng 0.
Khi robot nghiên về phía trước 𝜃 > 0, nếu không có điều khiển thì theo quán tính,
hai bánh xe sẽ chạy về phía sau (phía ngược lại của than robot đang nghiêng), dẫn
đến robot bị ngã. Nên trong trường hợp này chúng ta sẽ điều khiển cho hai bánh
xe chạy về phía sau (phía mà robot đang nghiêng) nhằm cho góc lệch 𝜃 = 0,
robot sẽ thăng bằng trở lại.
Khi robot nghiêng về phía sau 𝜃 < 0, nếu không có điều khiển theo quán tính hai
bánh xe sẽ chạy về phía trước (phía ngược lại của thân robot đang nghiêng), dẫn
đến robot bị ngã. Nên trong trường hợp này chúng ta sẽ điều khiển cho hai bánh
xe chạy về phía sau (phía mà robot đang nghiêng) nhằm làm cho góc lệch 𝜃 = 0,
robot sẽ cân bằng trở lại.


Hình2 : Các trường hợp di chuyển của robot hai bánh tự cân bằng
 Ưu điểm:
- Cơ cấu nhỏ gọn.
- Thời gian đáp ứng nhanh.
- Quãng đường di chuyển ngắn.
 Nhược điểm:
- Không thể cân bằng tại chổ.
- Trong quá trình cân bằng đòi hỏi động cơ tang tốc và đổi chiều quay lien tục.
 Ta chọn phương án này vì :
- Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo.

- Thuật toán cân bằng đơn giản
b. Về điều khiển
PHƯƠNG ÁN 1: sử dụng bộ điều khiển PLC
 Ưu điểm:
- Phần cứng gọn nhẹ, thiết kế chắc chắn, độ ổn định cao.
- Khả năng mở rộng thông số đầu vào/ra đơn giản.
- Lập trình và sửa đổi đơn giản.
- Dễ giám sát và phát hiện lỗi.


 Nhược điểm:
- Cần tích hợp giao diện người-máy.
- Kiến trúc đóng kính, khó tích hợp sản phẩm ngoài.
- Khả năng xử lý yếu.
PHƯƠNG ÁN 2: sử dụng vi điều khiển 8051
 Ưu điểm:
- Tích hợp nhiều modun ngoại vi tích hợp sẵn: PWM,ADC…dễ dàng lập trình điều
khiển ít bị nhiễu, bộ nhớ chương trình lớn từ 512 word đến 32K word
- Tốc độ xử lý cao.
- Giá thành rẻ hơn so với PIC và PLC
- Lập trình tương đối dễ dàng.
 Nhược điểm:
- Làm việc không ổn định.
PHƯƠNG ÁN 3: sử dụng vi điều khiển
Ưu điểm: tương tự như 8051, tuy nhiên khả năng làm việc ổn định, tốc độ xử lý nhanh hơn.
 Vì những ưu điểm như tốc độ xử lý cao, tính làm việc ổn định cũng như dễ dàng lập
trình, do đó ta sử dụng PIC để lập trình điều khiển cho hệ thống.
c. Về động cơ
Các yêu cầu về động cơ trong robot hai bánh tự cân bằng:
-

Giá trị output là vận tốc hoặc góc quay của động cơ.
Yêu cầu cao về điều khiển tốc độ, không đòi hỏi độ chính xác về vị trí.
Kích thước trung bình.
Giá thành thấp.

PHƯƠNG ÁN 1 : động cơ bước

-

kích thước nhỏ.


-

Điều khiển vị trí chính xác.
Giá thành cao.

PHƯƠNG ÁN 2: động cơ DC – Servo

- Kích thước đa dạng.
- Điều khiển vận tốc chính xác.
- Giá thành thấp.
 Vì những yêu cầu đó ta sử dụng động cơ DC Servo để điều khiển hai bánh xe của
robot.