Nghiên cứu phương pháp điều khiển cân bằng cho robot hai bánh tự cân bằng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

NGUYỄN NAM

NGHIÊN CỨU PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG
CHO ROBOT TỰ CÂN BẰNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KHÁNH HÒA - 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

NGUYỄN NAM

NGHIÊN CỨU PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG
CHO ROBOT HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngành:

Kỹ thuật cơ khí

Mã số:

60520103

Quyết định giao đề tài:

933/QĐ-ĐHNT ngày 26/9/2014

Quyết định thành lập HĐ:

1079/QĐ-ĐHNT ngày 19/11/2015

Ngày bảo vệ: 16/01/2016
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:
TS. ĐẶNG XUÂN PHƢƠNG
Chủ tịch Hội đồng
PGS.TS PHẠM HÙNG THẮNG
Khoa sau đại học

KHÁNH HÒA - 2015


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan mọi kết quả của đề tài: “NGHIÊN CỨU PHƢƠNG PHÁP
ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG CHO ROBOT HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG ” là công
trình nghiên cứu của cá nhân tôi và chƣa từng đƣợc công bố trong bất cứ công trình
khoa học nào khác cho tới thời điểm này.
Nha Trang, Ngày 19 tháng 10 năm 2015
Tác giả luận văn

Nguyễn Nam

i

LỜI CẢM ƠN
Trong suốt thời gian thực hiện đề tài, tôi đã nhận đƣợc sự giúp đỡ của quý phòng
ban trƣờng Đại học Nha Trang, đã tạo điều kiện tốt nhất cho tôi đƣợc hoàn thành đề
tài. Đặc biệt là sự hƣớng dẫn tận tình của TS. Đặng Xuân Phƣơng đã giúp tôi hoàn
thành tốt đề tài. Qua đây, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến sự giúp đỡ này.
Ngoài ra, tôi cũng xin chân thành cảm ơn TS. Vũ Thăng Long, Th.S Trần Văn
Hùng giảng viên bộ môn Cơ điện tử đã nhiệt tình giúp đỡ về mặt lý thuyết để hoàn
thành phần điện điều khiển động cơ.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình và tất cả bạn bè đã
giúp đỡ, động viên tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài. Tôi xin chân
thành cảm ơn!
Nha Trang, ngày 19 tháng 10 năm 2015
Tác giả luận văn

Nguyễn Nam

ii


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ii
MỤC LỤC .................................................................................................................... iii
DANH MỤC BẢNG ..................................................................................................... vi
DANH MỤC HÌNH VẼ...............................................................................................vii
TRÍCH YẾU LUẬN VĂN............................................................................................. x
Lời nói đầu ...................................................................................................................... 1
Chƣơng 1 - TỔNG QUAN ............................................................................................ 3
1.1

Nguyên lý hoạt động của xe hai bánh tự cân bằng ............................................ 3

1.2

Ƣu nhƣợc điểm của xe hai bánh tự cân bằng ..................................................... 4

1.2.1 Ƣu điểm................................................................................................................. 4
1.2.2 Nhƣợc điểm ........................................................................................................... 4
1.3

Khả năng ứng dụng ............................................................................................. 4

1.4

Nhu cầu thực tế .................................................................................................... 5

1.5

Một số dạng xe hai bánh tự cân bằng ................................................................. 6

1.5.1.1

Segway ........................................................................................................... 6

1.5.1.2

Xe Balancing ................................................................................................. 7

1.6

Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc ........................................................ 8

1.6.1 Quốc tế .................................................................................................................. 8
1.6.1.1

JOE ............................................................................................................... 8

1.6.1.2

nBot ............................................................................................................... 9

1.6.1.3

BaliBot ........................................................................................................ 10

1.6.1.4

Balancing robot (Bbot) ............................................................................... 10

1.6.1.5

Equibot ........................................................................................................ 10

1.6.1.6

Bender .......................................................................................................... 11

1.6.1.7

ArduRoller balance bot ............................................................................. 11

iii


1.6.1.8

Loại Robot hổ trợ con ngƣời của hãng TOYOTA.................................. 11

1.6.2 Trong nƣớc ......................................................................................................... 12
1.6.2.1

Đại học Lạc Hồng ....................................................................................... 12

1.6.2.2

Đại học bách khóa TP.HCM ...................................................................... 12

2.1

Phƣơng pháp nghiên cứu .................................................................................. 14

2.2

Cơ sở lý thuyết động lực học ............................................................................. 14

2.2.1 Nguyên lý hoạt động của robot tự cân bằng ................................................... 15
2.2.2 Phân tích lực từ mô hình con lắc ngƣợc............................................................ 16
2.2.3 Mô hình động lực học ............................................................................................ 17
2.3

Lý thuyết điều khiển .......................................................................................... 23

2.3.1 Lý thuyết cổ điển ................................................................................................. 24
2.3.2 Lý thuyết hiện đại ............................................................................................... 24
2.4

Giải thuật điều khiển PID ................................................................................... 24

2.4.1 Bộ điều khiển PID .............................................................................................. 24
2.4.2 Giải thuật PID .................................................................................................... 25
2.4.3 Điều chỉnh hệ số PID.......................................................................................... 26
2.5

Các phƣơng pháp xử lý tín hiệu từ cảm biến ................................................... 28

2.5.1 Độ chính xác của cảm biến ............................................................................... 28
2.5.2 Lọc bổ phụ thông tần (Complementary Filter) ............................................... 29
2.5.3 Lọc thích nghi - Bộ lọc Kalman (Kalman Filter) .............................................. 30
Chƣơng 3 – CHẾ TẠO MÔ HÌNH XE 2 BÁNH TỰ CÂN BẰNG ........................... 33
3.1

Chế tạo cơ khí ..................................................................................................... 33

3.1.1 Linh kiện điện tử ................................................................................................ 34
3.1.2.1

Cảm biến ...................................................................................................... 34

3.1.2.2

Bánh xe......................................................................................................... 41

3.1.2.3

Động cơ điện DC ......................................................................................... 41
iv


3.1.2.4
3.2

Điều khiển tốc độ động cơ điện DC ............................................................ 44

Mạch điện tử....................................................................................................... 48

3.2.1 Nguồn điện ......................................................................................................... 48
3.2.2 Mạch công suất điều khiển động cơ ................................................................. 48
3.2.3 Cảm biến vị trí encoder ..................................................................................... 49
3.2.4 Bộ xử lý trung tâm - vi điều khiển Atmega 8 .................................................. 50
3.2.5 Mạch điều khiển trung tâm .............................................................................. 51
3.3

Giải thuật - Lƣu đồ chƣơng trình ..................................................................... 52

3.2.1 Chƣơng trình chính ........................................................................................... 53
3.2.2 Đọc tốc độ động cơ ............................................................................................. 53
3.2.3 Chống nhiễu ......................................................................................................... 54
3.4

Thử nghiệm ........................................................................................................ 55

3.5

Kết quả................................................................................................................ 58

Chƣơng 4 - KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ ......................................................... 61
4.1

Những đóng góp và tính mới của đề tài .......................................................... 61

4.2

Hạn chế của đề tài ............................................................................................. 61

4.3

Đề xuất hƣớng nghiên cứu tƣơng lai ............................................................... 62

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................... 63
PHẦN THỦ TỤC ......................................................................................................... 64

v


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1 Tác động của việc tăng các thông số độc lập ...................................................27
Bảng 2 Phương pháp Ziegler–Nichols ..........................................................................27
Bảng 3 Thông số thực nghiệm PID ...............................................................................60

vi

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Mô tả nguyên lý giữ thăng bằng ......................................................................3
Hình 1.2 Segway HT kiểu i170 .......................................................................................6
Hình 1.3 Xe 2 bánh tự cân bằng của Trevor Blackwell ...................................................7
Hình 1.4 JOE ..................................................................................................................8
Hình 1.5 nBot .................................................................................................................9
Hình 1.6 nBot ..................................................................................................................9
Hình 1.7 Balibot ............................................................................................................10
Hình 1.10 Robot Bender ............................................................................................... 10
Hình 1.8 Bbot ................................................................................................................10
Hình 1.9 Equibot ...........................................................................................................11
Hình 1.11 ArduRoller balance bot ................................................................................11
Hình 1.12 Loại robot, kiểu Rolling của TOYOTA .......................................................... 11
Hình 1.13 Xe 2 bánh tự cân bằng (ĐHLH)...................................................................12
Hình 1.14 Xe 2 bánh tự cân bằng (ĐH TP.HCM) ........................................................ 12
Hình 2.1 Các trường hợp di chuyển của robot hai bánh tự cân bằng........................... 15
Hình 2.2 Mô hình phân tích lực con lắc ngược ............................................................... 16
Hình 2.3 Mô hình và sơ đồ khối ngõ vào ra của con lắc ngược...................................16
Hình 2.4 Mô hình phân tích của robot 2 bánh tự cân bằng ............................................17
Hình 2.5 Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID .................................................................25
Hình 2.6 Sơ đồ lọc tín hiệu từ cảm biến ..........................................................................29
Hình 2.7 Sơ đồ tín hiệu từ cảm biến lọc bổ phụ thông tần ...........................................30
Hình 2.8 Sơ đồ tín hiệu từ một cảm biến lọc Kalman (Kalman Filter)......................... 31
Hình 2.9 Từ màn hình ...................................................................................................32
Hình 2.10 Từ dữ liệu thu được...................................................................................... 32
Hình 3.1 Mô hình 1 động cơ ......................................................................................... 33
vii

Hình 3.2 Bản vẽ cấu tạo khung mô hình.......................................................................33
Hình 3.3 Sơ đồ khối Robot ............................................................................................ 34
Hình 3.4 Cảm biến MPU6050 ...................................................................................... 34
Hình 3.5 Sơ đồ khối cấu tạo cảm biến MPU6050 ........................................................ 35
Hình 3.6 Sơ đồ kết nối cảm biến MPU6050 .................................................................37
Hình 3.7 Giản đồ xung khi giao tiếp I2C với MPU6050 ..............................................37
Hình 3.8 Cách viết dữ liệu lên MPU6050 ....................................................................38
Hình 3.9 Cách đọc dữ liệu từ MPU6050 ......................................................................39
Hình 3.10 Thanh ghi có địa chỉ 1B ...............................................................................39
Hình 3.11 Các chế độ thanh ghi 1B..............................................................................39
Hình 3.12 Thanh ghi có địa chỉ 1C ..............................................................................39
Hình 3.13 Các chế độ thanh ghi 1C .............................................................................40
Hình 3.14 Thanh ghi có địa chỉ 24 ...............................................................................40
Hình 3.15 Các chế độ thanh ghi 24 ..............................................................................40
Hình 3.16 Thanh ghi có địa chỉ từ 59 đến 64 ............................................................... 40
Hình 3.17 Thanh ghi có địa chỉ từ 67 đến 72. ............................................................. 41
Hình 3.18 Bánh xe ........................................................................................................41
Hình 3.19 Ba pha của động cơ điện 1 chiều.................................................................42
Hình 3.20 Động cơ DC giảm tốc Faulhaber 12V......................................................... 44
Hình 3.21 Cách nối dây đọc tín hiệu từ Encoder ......................................................... 44
Hình 3.22 Đồ thị điều chế PWM ..................................................................................45
Hình 3.23 Tạo xung vuông bằng phương pháp so sánh ...............................................47
Hình 3.24 Sơ đồ mạch nguồn ....................................................................................... 48
Hình 3.25 Sơ đồ mạch công suất ..................................................................................49
Hình 3.26 Encoder tương đối ....................................................................................... 49
Hình 3.27 Sơ đồ chân ATMEGA 8................................................................................51
viii


Hình 3.28 Sơ đồ mạch điều khiển trung tâm ................................................................ 52

Hình 3.29 Giải thuật chương trình chính .....................................................................53
Hình 3.30 Giải thuật đọc tốc độ động cơ .....................................................................53
Hình 3.31 Giải thuật chống nhiễu ................................................................................54
Hình 3.32 Giải thuật PID ............................................................................................. 54
Hình 3.37 Bắt đầu khởi động Robot(từ màn hình) ....................................................... 55
Hình 3.38 Bắt đầu khởi động Robot(từ dữ liệu thu được) ............................................56
Hình 3.39 Khi Robot có lực tác động (từ màn hình) ....................................................56
Hình 3.40 Khi Robot có lực tác động động (từ dữ liệu thu được) ................................ 57
Hình 3.41 Khi Robot ổn định (từ màn hình) .................................................................57
Hình 3.42 Khi Robot ổn định (từ dữ liệu thu được) .....................................................58
Hình 3.33 Cấu tạo mô hình ........................................................................................... 58
Hình 3.34 Mặt sau ........................................................................................................59
Hình 3.36 Mạch điều khiển động cơ .............................................................................59
Hình 3.35 Mặt trước .....................................................................................................59

ix


TRÍCH YẾU LUẬN VĂN
Đề tài này có thể xem là tiền đề cho nghiên cứu từ mô hình thăng bằng con lắc
ngƣợc đến việc nghiên cứu và chế tạo các loại robot hai chân và robot ngƣời trong
tƣơng lai. Mục tiêu của đề tài nghiên cứu phƣơng pháp điều khiển cân bằng cho robot
tự cân bằng, dựa trên lý thuyết cân bằng con lắc ngƣợc. Không giống nhƣ các xe 2
bánh thông thƣờng có hai bánh xe nằm trƣớc sau, robot 2 bánh trong đề tài có hai bánh
nằm song song với nhau, giúp nó trở nên cực kỳ gọn gàng để di chuyển bằng những bánh
xe trong những khoảng chật hẹp mà thƣờng chỉ có thể đi bộ.
Đề tài này đƣợc quan tâm từ việc xác định các thông số đầu vào và ra, dựa trên
đó để thiết kế mô hình, thực hiện phần điện tử và điều khiển, viết các chƣơng trình điều
khiển với mục đích cuối cùng là tạo ra một mô hình robot di chuyển cân bằng trên hai
bánh xe đồng trục đƣợc lắp trên hai động cơ dựa theo các định luật cơ học Newton và

cơ học vật rắn: điều khiển để luôn duy trì bề mặt chân đế (hai bánh xe) ở vị trí ngay
dƣới trọng tâm của robot khi đứng yên, và tạo một góc nghiêng nhỏ với phƣơng thẳng
đứng của xe khi muốn xe chuyển động.
Sử dụng giải thuật PID để tính toán và điều khiển một mô hình xe tự cân bằng
nhờ một hệ thống điều khiển hoạt động của động cơ điện gắn trên mỗi bánh xe.
Mô hình bao gồm một thân mang hai động cơ DC đƣợc gắn với mỗi bánh xe
đƣờng kính 95mm, sử dụng bộ điều khiển trung tâm để điều khiển những mạch công

suất cho những động cơ, thu nhận thông tin từ những cảm biến để xác định các giá trị
góc nghiêng và quãng đƣờng đi. Các tín hiệu đo góc từ hai cảm biến accelerometer và
gyro đƣợc tích hợp trong một bo mạch cảm biển MPU6050 thông qua một bộ lọc
Kalman đƣợc lập trình trên vi điều khiển ATMEGA 8 của hãng AVR để có các thông
số đo góc chính xác.

Từ khóa: robot 2 bánh tự cân bằng

x


Lời nói đầu
Xuất phát từ ý tƣởng đã đƣợc thƣơng mại hóa của công ty Segway: kết hợp ý
tƣởng về cách giữ thăng bằng của con ngƣời trên đôi chân và sự cơ động trong di
chuyển của các loại xe di chuyển bằng bánh. Nhƣng với giá thành của sản phẩm
Segway không rẻ (khoảng 5000USD/xe) chi phí rất cao do việc chế tạo các cảm biến
đã đƣợc tích hợp và xử lý với độ chính xác và tin cậy cao (khoảng 900USD/bộ). Do
đó, chúng ta sẽ kết hợp các cảm biến riêng lẻ với giá thành thấp (4 - 40USD/cảm biến)
và xử lý tín hiệu cảm biến của chúng để có đƣợc các tín hiệu tinh khiết và chính xác
nhƣ mong muốn.
Mô hình là một robot có hai bánh đƣợc đặt dọc trục với nhau (khác với xe đạp là
trục của hai bánh xe song song) đƣợc thiết kế và chế tạo dựa trên lý thuyết cân bằng

con lắc ngƣợc, linh động khi di chuyển trên địa hình phức tạp. Mô hình sử dụng 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. Từ các tín hiệu thu đƣợc, thông qua một số đại lƣợng đặc
trƣng của mô hình (khối lƣợng, chiều dài, chiều cao vật, đƣờng kính bánh) ta sẽ tính
đƣợc momen quán tính nghiêng (lật của mô hình), từ đó đƣa 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.
Trọng tâm của mô hình phải luôn nằm trong vùng đỡ của bánh xe, để có thể
thăng bằng khi di chuyển ở mọi bề mặt từ đơn giản đến phức tạp. Khi nó leo dốc, nó tự
động nghiêng ra trƣớc và giữ trọng tâm nằm giữa trục hai bánh xe. Khi xuống dốc, nó
nghiêng ra sau và giữ trọng tâm nằm giữa trục hai bánh xe, nên không có hiện tƣợng
trọng tâm của xe rơi ra ngoài vùng đỡ của các bánh xe để có thể gây ra sự lật úp.
Toàn bộ mô hình đƣợc điều khiển bằng một vi điều khiển ATM 8. Đây là hệ
AVR do hãng Atmel sản xuất có thể xử lý và thực thi chƣơng trình ở tốc độ cao trong
việc tính toán các giá trị cảm biến và đƣa ra bộ truyền động (động cơ điện). Bộ vi điều
khiển đóng vai trò quan trọng với nhận tín hiệu vào từ thiết bị cảm biến. Với các dữ liệu
về góc đã xử lý và tín hiệu hồi tiếp về vị trí của bánh xe, vi điều khiển sẽ tính toán và
đƣa ra tín hiệu điều khiển bộ truyền động, đến bánh xe để giữ thăng bằng/di chuyển, đi
thẳng, quay, cua.
Đây là một phƣơng tiện vận chuyển tại các thành phố, khu làm việc rộng lớn,
1


các khuôn viên trƣờng học trong tƣơng lai với nhiều ƣu điểm: gọn, nhẹ, ít chiếm diện
tích, dễ mang vác, tháo lắp và vận chuyển, nhiên liệu sạch, dễ điều khiển cho ngƣời lớn
và trẻ em, đi đƣợc trên một số địa hình phức tạp.

2

Chƣơng 1 - TỔNG QUAN
1.1

Nguyên lý hoạt động của xe hai bánh tự cân bằng

Hình 1.1 Mô tả nguyên lý giữ thăng bằng
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 nhƣ 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 cần đƣợc giữ nằm ngay
giữa trục các bánh xe. Điều này giống nhƣ ta giữ một cây gậy dựng thẳng đứng cân
bằng trong lòng bàn tay. (Hình1.1)
Thực ra, việc xác định vị trí trọng tâm của toàn bộ mô hình rất khó khăn, cũng
không có cách nào tìm ra nó và có thể không có khả năng di chuyển bánh xe đủ nhanh để
giữ trọng tâm luôn nằm giữa trục bánh xe.
Về mặt kỹ thuật, góc giữa sàn xe và chiều trọng lực có thể biết đƣợc. Do vậy,
thay vì tìm cách xác định trọng tâm nằm giữa các bánh xe, tay lái cần đƣợc giữ thẳng
đứng, vuông góc với sàn xe (góc cân bằng đƣợc hợp bởi phƣơng của trọng lực và
phƣơng đứng của xe là bằng không).

3


1.2

Ƣu nhƣợc điểm của xe hai bánh tự cân bằng

1.2.1 Ƣu điểm

-

Sử dụng không gian hiệu quả, đa năng (sử dụng trong nhà và ngoài phố).

-

Dễ dàng lái xuống đƣờng, dừng lại và trò chuyện với bạn bè. Xe hai bánh tự cân
bằng này khác hẳn với các loại xe đạp hay xe đẩy bình thƣờng, 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 ngƣời) nên nó không gây tắt nghẽn giao thông
nhƣ các loại xe bốn bánh. Nhƣ một phƣơng tiện vận chuyển trên vỉa hè, nó
cho phép di chuyển trong nơi đông đúc, và hoàn toàn có thể đi trên lòng
đƣờng.

1.2.2 Nhƣợc điểm
-

Ngƣời điều khiển không thể thƣ 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.

-

Không thể làm các việc khác khi đứng trên xe này, chẳng hạn vừa đi vừa nghe điện
thoại, hoặc vừa uống nƣớc.

1.3

-

Xe không đủ nhanh để đi đƣờng trƣờng và không đủ an toàn để lên xuống lề đƣờng.

-

Không thể leo bậc thang có chiều cao quá ½ bán kính bánh xe

Khả năng ứng dụng
-

Là một phƣơng tiện vận chuyển mới trong khu vực chật hẹp có thể di chuyển
ngay trong các chung cƣ tòa nhà cao tầng, dùng trợ giúp di chuyển cho
ngƣời già, và trẻ em vận chuyển.

-

Làm phƣơng tiện vận chuyển hàng hoá đến những nơi đã đƣợc lập trình sẵn
ở trong các tòa nhà, phòng làm việc, những không gian chật hẹp, khó xoay trở.

-

Thậm chí kết hợp trên các robot dạng ngƣời, nếu đƣợc kết hợp với các
robot camera, robot dò đƣờng, robot lái mặt đƣờng 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).

-

Việc nghiên cứu phƣơng pháp điều khiển và chế tạo mô hình robot tự cân
bằng sẽ giúp và làm tiền đề cho việc chế tạo xe hai bánh tự cân bằng.
4


1.4

Nhu cầu thực tế
Hiện tại, trong điều kiện đƣờng 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.
Về khía cạnh khoa học và công nghệ, mô hình xe hai bánh tự cân bằng thực sự là
một bƣớc đệm quan trọng để có kinh nghiệm trong việc tính toán, mô hình và chế tạo
các robot hai chân (biped-robot, robot dạng ngƣời), là đỉnh cao về khoa học và công
nghệ mà các trƣờng đại học trên toàn thế giới mong muốn vƣơn tới. Ngoài ra, mô hình
cũng sẽ là sự bổ sung cần thiết về các giải pháp công nghệ di chuyển của các robot
điều khiển từ xa 3 bánh, 4 bánh cũng nhƣ mobile rob robot điều khiển từ xa có chân,
làm phong phú những lựa chọn giải pháp để chuyển động trong không gian cho các
robot.
Về yếu tố tâm lý con ngƣời, mô hình xe hai bánh tự cân bằng thực sự là một dấu
chấm hỏi lớn cho những ngƣời từng thấy hay dùng nó: tại sao có thể di chuyển và
thăng bằng đƣợc? Điều này cuốn hút nhu cầu đƣợc sử dụng một chiếc xe hai bánh tự
cân bằng.
Hiện này mặc dù đã có nhiều công trình nghiên cứu chế tạo và công bố về xe
hai bánh tự cân bằng và cũng đã có nhiều ứng dụng vào thực tế, tuy nhiên những công

trình này chỉ ứng dụng những thiết bị điện tử, bo mạch cảm biến, bo mạch điều khiển
đƣợc chế tạo chuyên biệt cho hệ thống hoặc chỉ công bố kết quả nhƣng không công bố
đầy đủ các giải thuật hay lập trình để có thể thực hiện lại.
Với nghiên cứu này đã kết hợp những thiết bị điện tử thông thƣờng có mặt tại
thị trƣờng Việt Nam giá rẻ cùng với việc viết giải thuật, lập trình nghiên cứu này cho
phép làm chủ công nghệ trong phạm vi của trƣờng để từ đó làm tiền đề cho những
nghiên cứu phát triển sau này.
Vì vậy đề tài sẽ đóng góp một phần nhất định cho ngành Cơ điện tử nói riêng và
lĩnh vực cơ khí tự động tại Trƣờng Đại học Nha Trang nói chung.

5


Một số dạng xe hai bánh tự cân bằng

1.5

1.5.1.1Segway
Segway là một phƣơng tiện giao
thông cá nhân có hai bánh, hoạt động trên
cơ chế tự cân bằng do Dean Kamen phát
minh. Loại xe này đƣợc sản xuất bởi công
ty

Segway

Inc.

Hampshire, Hoa Kỳ

[26]

ở

bang New
Hình 1.2 Segway HT kiểu i170

.(Hình 1.2)

Không giống nhƣ một chiếc xe hơi, Segway chỉ có hai bánh - trông nó nhƣ một
chiếc xe đẩy bằng tay thông thƣờng - nó còn kiểm soát hoạt động ở tƣ thế thẳng đứng.
Để di chuyển đến trƣớc hay lùi ra sau, ngƣời lái đứng trên Segway chỉ việc hơi
nghiêng về phía trƣớc hay phía sau. Để quẹo trái hay phải, ngƣời lái quay tay lái qua
phải hƣớng ra trƣớc hay ra sau.
Điều cơ bản nhất, Segway là sự kết hợp của một dãy các cảm biến, một hệ thống
kiểm soát và một hệ thống động cơ.
Hệ thống cảm biến chủ yếu là sự kết hợp các con quay hồi chuyển (gyroscope).
Segway HT có năm cảm biến hồi chuyển, mặc dù nó chỉ cần ba cảm biến để phát
hiện ra mức đẩy ra trƣớc và ra sau cũng nhƣ nghiêng bên trái hay bên phải. Các cảm
biến còn lại làm cho phƣơng tiện chắc chắn hơn.
Khi xe nghiêng về trƣớc, động cơ làm cả hai bánh xe quay về trƣớc và giữ về
trạng thái nghiêng. Khi xe nghiêng ra sau, động cơ làm cả hai bánh xe quay ra sau. Khi
ngƣời lái điều khiển tay lái quẹo trái hay phải, động cơ làm một trong hai bánh xe quay
nhanh hơn bánh xe kia hay hai bánh xe quay ngƣợc chiều để xe xoay quanh.
Segway là sự lựa chọn cao trong thành phố. Vì các xe hơi đắt tiền và nếu có
lƣợng lớn xe hơi chạy trên đƣờng phố sẽ gây nên ùn tắt giao thông, và thiếu chỗ đậu
xe. Tất cả những điều ấy, xe hơi không là phƣơng tiện tối ƣu nhất trong khu dân cƣ
đông đúc.
Segway cũng là chiếc máy tốt dùng để đi trong các kho hàng, nơi có nhiều hành
lang. Ngƣời ta còn nhận thấy sự hữu dụng khi đi quanh trong các khu dân cƣ, sân bay

hay công viên. Thật sự không có giới hạn không gian trong việc sử dụng xe. Segway
giúp bạn đi nhanh hơn mà không mất nhiều năng lƣợng.
-

Tốc độ cao nhất: 20 km/giờ
6


-

Trọng lƣợng không tải: 36 kg

-

Kich thƣớc: 48 - 63,5 cm x 20 cm

-

Tải trọng: một ngƣời nặng 110kg với hàng hóa nặng 34kg

-

Quảng đƣờng đi đƣợc: khoảng 28 km với một bình sạc đơn.

-

Giao diện hiển thị xe hoạt động: Segway có màn hình LCD nhỏ cho ngƣời lái
biết năng lƣợng pin còn bao nhiêu và hoạt động của xe nhƣ thế nào, còn tốt
không.

1.5.1.2 Balancing
Trevor Blackwell chế tạo ra xe hai bánh tự cân
[27]

bằng dựa theo Segway của hãng Mỹ

. Xe hai bánh tự

cân bằng này đƣợc xây dựng từ những bộ phận giống
động cơ xe lăn và từ các cục pin xe . Những bộ phận và
module để chế tạo có giá thành thấp hơn phân nửa
Segway. Nó không cần phần mềm thực thi cao hay phức
tạp. Phiên bản đầu tiên đƣợc viết trên Python và sử dụng
cổng số để truyền thông tin đến con quay hồi chuyển và
mạch điều khiển động cơ. (Hình 1.3)
Xe đƣợc sử dụng vi điều khiển 8-bit từ Atmel,
chạy trên code C với một số điểm trôi. Nó gởi những
lệnh kiểm soát tốc độ ra port serial khoảng 9600 baud
trong ASCII đối với bộ phận lái động cơ, có giá
10USD do Digikey tạo. Một con quay hồi chuyển
ceramic và gia tốc kế hai trục để điều chỉnh hƣớng chính
xác, cùng hoạt động với vi mạch điều khiển Atmel, với

Hình 1.3 Xe 2 bánh tự cân

bằng của Trevor Blackwell

giá 149USD do Rotomotion tạo ra.
1.5.1.3 Xe tự thăng bằng 2 bánh chạy điện
Đƣợc giới thiệu tại CES 2015, Monorover R2 là phiên bản tiếp theo của chiếc

xe 1 bánh tự cân bằng ra mắt từ năm 2014 đang đƣợc giới trẻ Việt Nam rất ƣa chuộng
bởi tính cơ động và cách điều khiển độc đáo. Xe điện Monorover R2 đƣợc điều khiển
dựa vào 2 bàn đệm cao su, chính là nơi mà ngƣời dùng đứng lên, bên dƣới lớp cao su
lót này là một công tắc điều khiển 3 trạng thái đƣợc trải đều trên 3 vị trí mũi chân, lòng
7


bàn chân và gót chân. Chính vì thế ngƣời dùng có thể điều khiển xe bằng cách nhún
chân về phía trƣớc để tiến lên hoặc ngửa ngƣời ra sau để lùi lại.
Toàn bộ hoạt động của xe đƣợc duy trì bằng 1
bộ Pin lớn có điện áp 36V và dung lƣợng tới
4400mAh. có thể chạy liên tục trong điều kiện bình
thƣờng tới 20Km. Chính vì có đƣờng kính bánh khá
nhỏ và gầm xe cũng rất thấp nên Monorover R2 chỉ
phù hợp để đi trên các bề mặt bằng phẳng không gồ
ghề nhƣ các trung tâm thƣơng mại hoặc công viên
không phù hợp dùng di chuyển trên các đoạn đƣờng
có nhiều ổ gà.

1.6

Hình 1.4 Monorover R2
Blackwell

Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc

1.6.1 Quốc tế
1.6.1.1 JOE
Robot JOE đƣợc nghiên cứu chế tạo bởi phòng thí
nghiệm điện tử công nghiệp của Viện Công nghệ Federal,

Lausanne, Thụy Sĩ, năm 2002

[16]

. Cao 65cm, nặng 12kg, tốc

độ tối đa khoảng 1,5m/s, có khả năng leo dốc nghiêng đến
30o. Nguồn điện cấp là nguồn pin 32V 1,8Ah. (Hình 1.4)
Cấu tạo gồm hai bánh xe, mỗi bánh gắn với một động

Hình 1.5 JOE

cơ DC, chiếc xe này có thể chuyển động xoay theo hình U.
Hệ thống điều khiển đƣợc lắp từ hai bộ điều khiển state-space tách rời nhau,
kiểm soát động cơ để giữ cân bằng cho hệ thống. Những thông số trạng thái của JOE
đƣợc xác định bởi hai encoder quang và vận tốc của con quay hồi chuyển.

8


1.6.1.2 nBot
nBot do David P. Anderson sáng chế

[17]

. Phƣơng

pháp cân bằng của nBot: các bánh xe sẽ quay theo
hƣớng phần trên robot bị nghiêng. Nếu bánh xe đƣợc
điều khiển nhằm đứng vững theo trọng tâm robot, robot

sẽ đƣợc giữ cân bằng.
Để thực hiện đƣợc điều này đòi cần có hai cảm
biến phản hồi thông tin: cảm biến góc nghiêng để đo góc

Hình 1.6 nBot

nghiêng của robot với trọng lực, và encoder trên bánh xe

27 /01/ 2003

để đo vị trí cơ bản của robot. (Hình 1.5, Hình 1.6)
Bốn thông số đầu vào để xác định hoạt động và vị trí của xe con lắc ngƣợc 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.
Bốn giá trị đo lƣờng đƣợc tính toán và phản hồi thông qua bộ điều khiển tới
điện áp động cơ, tƣơng ứng với momen quay, cân bằng, và bộ phận lái robot.

14 /06/ 2012

14 /09/ 2013
Hình 1.6 nBot

9


1.6.1.3 BaliBot
Năm 2003, Bill Sherman đã nghiên cứu và chế

tạo Balibot

[18]

, một robot hai bánh tự cân bằng, là một

trong các mẫu đầu tiên về robot hai bánh có trọng tâm
phía trên các bánh xe. Không có hệ thống điều khiển
hoạt động, robot sẽ bị ngã. Khi robot có nhận biết hƣớng
mà nó sắp ngã, các bánh xe sẽ di chuyển về phía sẽ ngã.
(Hình 1.7)
Cảm biến góc nghiêng Motorola MMA2260 đƣợc

Hình 1.7 Balibot

dùng để đo góc nghiêng của robot, gia tốc kế đƣợc sử dụng, thiết bị có cấu trúc MEMS.
PIC16F876 của hãng Microchip© là trung tâm điều khiển robot.
1.6.1.4 Balancing robot (Bbot)
Vào năm 2003, Jack Wu và Jim Bai

[19]

là những sinh viên trƣờng Đại học

Carnegie Mellon dƣới sự trợ giúp của GS. Chris Atkeson đã thực hiện đề tài robot hai
bánh tự cân bằng.
Để đo góc nghiêng của robot, họ đã sử dụng
cảm biến đo góc 2DOF đƣợc tích hợp sẵn của hãng
Rotomotion. Cảm biến đƣợc kết hợp bởi gia tốc kế
ADXL202 và mạch con quay hồi chuyển. Vi mạch

điều khiển là BasicX 24, có nhiều tính năng khác
nhau. Nó đƣợc dùng nhƣ bộ điều khiển động cơ,
COM1 đƣợc nối với Pocket PC và COM3 thì nối với
bộ điều khiển servo Mini SSC 12. Nó còn đƣợc sử

Hình 1.8 Bbot

dụng nhƣ CPU chính cho việc điều khiển thăng bằng
cho robot. (Hình 1.8)
1.6.1.5 Equibot
Equibot là robot cân bằng do Dan Piponi thực
hiện năm 2006

[21]

. Cơ bản nó dựa vào vi điều khiển

ATMega32 RISC. Hai động cơ servo Hitec HS-311
10

Hình 1.10
Robot Bender


đƣợc điều khiển bởi với bộ điều khiển tứ cực LQR và
nguồn điện vào đƣợc nối trực tiếp với các động cơ.
Equibot chỉ có một loại cảm biến hồng ngoại Sharp
thay cho cảm biến về góc. Nó đƣợc đặt thấp để đo
khoảng cách với sàn. Ngõ ra từ thiết bị đƣợc dùng để xác
định hƣớng robot di chuyển. ( Hình 1.9)

1.6.1.6 Bender
Robot cân bằng Bender là đề án do TedLarson

[20]

Hình 1.9 Equibot
, San

Francisco thực hiện năm 2004. Mục tiêu của ông là xây dựng
robot tự cân bằng trên mặt sàn, và từ đó dùng làm nền cơ bản
để xây dựng robot tự hành dùng bánh xe. (Hình 1.10)
1.6.1.7 ArduRoller balance bot
Caveat Emptor đã nghiên cứu chế tạo năm 2011

[22]

- Khung: laser cắt lớp 2.7mm bằng tre, vít máy
M2.5 (Hình 1.11)
- Bộ điều khiển: Arduino Uno
- Driver điều khiển động cơ: Sparkfun Ardumoto
- Động cơ: 2 x 24 Sparkfun: 1 gearmotor
- Bánh xe: Sparkfun 70mm
- Gyro: ADXRS613 gắn ở trục quay

Hình 1.11 ArduRoller balance bot

- Accelerometer: ADXL203CE gắn ở trục quay
- Pin: 2 x 3.7V Li-poly 850MAh
1.6.1.8 Loại Robot hổ trợ con ngƣời của hãng
TOYOTA

Đây là một trong những loại robot có công
dụng phục vụ cho con ngƣời do hãng TOYOTA
thiết kế

[23]

. Nó cao 100cm và nặng 35kg. Mẫu robot

này có khả năng di chuyển nhanh mà không chiếm
một không gian lớn, đồng thời đôi tay của nó có thể
11

Hình 1.12 Loại robot, kiểu
Rolling của TOYOTA


làm nhiều công việc khác nhau, chủ yếu đƣợc dùng
làm trợ lý trong công nghiệp. (Hình 1.12)
1.6.2 Trong nƣớc
1.6.2.1 Đại học Lạc Hồng
Xe 2 bánh tự cân bằng của nhóm tác giả
Trƣờng Đại học Lạc Hồng[24] gồm có: cảm biến đo
góc nghiêng, 2 bánh xe đặt song song, hệ thống bánh
lái và pin lithium-ion để cấp năng lƣợng cho xe hoạt
động. Do công ty Công ty AZ Autosản xuất giá cả
khoảng 40– 50 triệu / xe. (Hình 1.13)
Hình 1.13 Xe 2 bánh tự cân bằng
(ĐHLH)

Khối lƣợng xe : 35kg

Khối lƣợng tối đa chở đƣợc: 120kg

Tốc độ tối đa:15 km/g.

Phạm vi di chuyển: 40 - 60km
1.6.2.2 Đại học bách khóa TP.HCM
Một nhóm nghiên cứu
thuộc Trƣờng đại học bách
khoa TP.HCM[25] đã nghiên
cứu chế tạo thành công xe hai
bánh tự cân bằng. Nghiên cứu
này tập hợp 6 nhà khoa học có
chuyên môn sâu trong các lĩnh
vực khác nhau: ThS. Mai Tuấn
Đạt và ThS.Nguyễn Gia Minh
Thảo, đồng chủ nhiệm, cùng
với

PGS.TS.

Dƣơng

Hoài

Hình 1.14 Xe 2 bánh tự cân bằng (ĐH

Nghĩa, TS.Huỳnh Thái Hoàng phụ trách phần điều khiển tự động, TS. Hồ Phạm Huy
Anh thực hiện phần điều khiển máy điện, PGS.TS.Nguyễn Hữu Phúc phụ trách hệ
thống năng lƣợng. Xe có thể đạt tốc độ tối đa 25 km/h, năng lƣợng đƣợc cung cấp từ
bình điện, sử dụng đƣợc 26 km, nặng 54 kg. (Hình 1.14)

12


Qua những nghiên cứu của trong và ngoài nƣớc ta thấy hầu hết xe hai bánh tự
cân bằng, việc xác định góc nghiêng và điều khiển động cơ đều dùng những bo mạch
cảm biến, bo điều khiển đƣợc thiết kế chế tạo công nghiệp hoặc đƣợc dùng trong các
phòng thí ngiệm với bộ xử lý tốc độ cao, đồng nghĩa với việc giải thuật phức tạp, giá
thành không rẻ (100 USD – 1000USD) và việc có thể mua đƣợc chúng không hề dễ
dàng tại Việt Nam. Và họ chỉ công bố kết quả cuối cùng nhƣng không có quá trình
thực hiện.
Thông qua đề tài nghiên cứu này tôi muốn sử dụng những thiết bị riêng lẻ phổ
thông, dễ dàng mua đƣợc tại Việt Nam và với giải thuật đơn giản cùng bộ xử lý tốc độ
thấp với giá thành thấp vẫn có thể giữ thăng bằng robot. Để thiết kế chế tạo mô hình
robot tự cân bằng nhằm mục đích phục vụ đào tạo tại trƣờng ĐHNT và làm tiền đề
nghiên cứu nhằm cố gắng theo kịp với công nghệ kỹ thuật trong nƣớc.

13