Đồ án chuyên ngành cơ điện tử 1: Thiết kế xe hai bánh tự cân bằng điều khiển bằng bluetooth

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM
TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CÔNG NGHỆ CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ 1

THIẾT KẾ XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG
ĐIỀU KHIỂN BẰNG BLUETOOTH

GVHD:NGUYỄN HỮU THỌ
SVTH: NHÓM 1
1: LÊ ĐỨC HUY

MSSV: 2025160093 LỚP: 07DHCDT1

2: NGUYỄN VĂN LONG MSSV: 2025160046 LỚP:07DHCDT1
3: PHẠM TẤN PHÁT

MSSV: 2025160112 LỚP: 07DHCDT1

4: LÊ PHẨM TÂN

MSSV: 2025160039 LỚP: 07DHCDT1

5: ĐÀO THANH TÙNG

MSSV: 2025160135 LỚP: 07DHCDT2

TP.HCM. Tháng 12 Năm 2018

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
Ngành: Công nghệ kỹ thuật Cơ Điện Tử
Tên đề tài: THIẾT KẾ XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG ĐIỀU KHIỂN
BẰNG BLUETOOTH
Giáo viên hướng dẫn: NGUYỄN HỮU THỌ

NHẬN XÉT
1. Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
2. Ưu điểm:
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
3. Khuyết điểm:
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
4. Đề nghị cho bảo vệ hay không?
.............................................................................................................................................
5. Đánh giá loại:
.............................................................................................................................................
6. Điểm:......................(Bằng chữ: ............... )
Tp. Hồ Chí Minh, ngày......tháng 12 năm 2018
Giáo viên hướng dẫn
(Ký & ghi rõ họ tên)

LỜI MỞ ĐẦU
Khi nói về robot, thì chắc hẳn trong mỗi người chúng ta sẽ hình dung tới một
người máy với khả năng giống hệt như con người trong các bộ phim về khoa học viễn
tưởng. Thực ra robot không đơn thuần chỉ là một người máy, robot thực chất được hiểu
như là một hệ thống máy móc có khả năng làm việc tự động thông qua việc điều khiển
bằng các vi mạch điện tử được lập trình sẵn. Người máy đơn giản chỉ là robot có hình thù
giống như con người và là một phần rất nhỏ trong lĩnh vực Robotics. Robot có thể tồn tại
ở nhiều dạng khác nhau như: máy cơ khí, máy nhân tạo,... ngoài ra còn tồn tại ở trường
hợp đặc biệt là robot ảo. Ví dụ: robot sumo, robot 2 bánh tự cân bằng điều khiển bằng
arduino,...
Nhóm chúng em đã tìm hiểu về các loại robot khác nhau, và cuối cùng nhóm
quyết định chọn mô hình robot xe hai bánh tự cân bằng và điều khiển được thông qua
bluetooth làm đề tài thực hiện nghiên cứu và chế tạo. Mô hình robot của nhóm sử dụng
các module mạch nhỏ gọn, dễ dàng sử dụng và lắp đặt. Cùng với vi xử lý Arduino Mega
2560 R3 khá phổ biến trên thị trường hiện nay giúp cho người dùng có thể thỏa sức sáng
tạo và phát triển các ứng dụng theo nhu cầu trên nên board Ardunio này.
Kết thúc quá trình thiết kế, mô hình robot xe hai bánh tự cân bằng điều khiển bằng
bluetooth của nhóm có khả năng giữ cân bằng ổn định và di chuyển linh hoạt.Qua đề tài,
nhóm đã hiểu cách điều khiển hệ thống ổn định bằng bộ điều khiển PID, nguyên lý và
cách sử dụng cảm biến góc nghiêng, modul bluetooth cũng như cách lập trình cho board
Arduino.
Đồ án này trình bày bao gồm lý thuyết, thuật toán được áp dụng và cả phần cứng:
Arduino Mega 2560, cảm biến góc nghiêng MPU6050, module bluetooth HC-06, module
L298 mini, mạch hạ áp LM 2596, …


MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG................1

1.1 Lịch sử hình thành và phát triển robot.......................................................................1
1.2 Mục tiêu đề tài...........................................................................................................1
1.3 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu...........................................................2
1.4 Mô hình xe hai bánh tự cân bằng điều khiển bằng blutooth......................................2
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG...............................................................................6
2.1 Khối nguồn................................................................................................................6
2.2 Khối điều khiển.........................................................................................................6
2.3 Khối chấp hành..........................................................................................................7
2.4 Khối điều khiển.........................................................................................................7
2.5 Khối Nguồn và mạch khuếch đại dòng điện............................................................24
CHƯƠNG 3. NHIỆM VỤ VÀ PHƯƠNG ÁN THỰC HIỆN MÔ HÌNH XE HAI BÁNH
TỰ CÂN BẰNG..............................................................................................................25
3.1 Nhiệm vụ thực hiện mô hình xe hai bánh tự cân bằng.............................................25
3.2 Xây dựng mô hình lý thuyết robot 2 bánh tự cân bằng và tính toán các thông số
PID. ................................................................................................................................. 27
CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN MÔ HÌNH...................................................29
4.1 Thiết kế phần cứng..................................................................................................29
4.2 Lưu đồ giải thuật điều khiển....................................................................................33
4.3 Thiết kế phần mềm..................................................................................................34
CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN ĐỒ ÁN...................................................................................43
5.1 Ưu điểm...................................................................................................................43
5.2 Nhược điểm.............................................................................................................43
5.3 Hướng phát triển......................................................................................................43
CHƯƠNG 6. BẢN VẼ HÌNH CHIẾU SỬ DỤNG SOLIDWORKS................................44
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................45


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình thực hiện đề tài, mặc dù gặp phải nhiều khó khăn nhưng được
sự giúp đỡ, hỗ trợ kịp thời từ Thầy Cô và các bạn nên đồ án đã được hoàn thành đúng

tiến độ. Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Hữu Thọ đã tận tình hướng dẫn,
truyền đạt kinh nghiệm cũng như hỗ trợ phương tiện chế tạo trong suốt quá trình tìm
hiểu, nghiên cứu đề tài.
Chúng em cũng xin cảm ơn các thành viên trong lớp 07DHCDT đã có những ý
kiến đóng góp, bổ sung, cũng như động viên khích lệ giúp chúng em hoàn thành tốt đề
tài.
Mặc dù nhóm thực hiện đề tài đã cố gắng hoàn thiện được đồ án, nhưng trong quá
trình soạn thảo cũng như kiến thức còn hạn chế nên có thể còn nhiều thiếu sót. Nhóm
thực hiện đề tài mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô cùng các bạn sinh
viên.
Sau cùng nhóm thực hiện xin chúc Thầy Cô sức khoẻ, thành công và tiếp tục đào
tạo những sinh viên giỏi đóng góp cho đất nước. Chúc các anh (chị), các bạn sức khỏe,
học tập thật tốt để không phụ công lao các Thầy Cô đã giảng dạy. Nhóm thực hiện xin
chân thành cảm ơn.


DANH MỤC HÌN
Hình 2.1 Sơ đồ khối của hệ thống.............................................................................6
Hình 2.2 Động cơ và bánh xe....................................................................................7
Hình 2.3 Module điều khiển động cơ L298 mini.......................................................7
Hình 2. 4 Mạch cầu H................................................................................................9
Hình 2. 5 Mạch cầu H gồm 4 công tắc......................................................................9
Hình 2.6 Điều chỉnh dòng điện chạy trong mạch cầu H..........................................10
Hình 2.7 Sơ đồ tổng quát mạch cầu H sử dụng BJT................................................10
Hình 2.8 Dòng điện chạy trong mạch cầu khi A ở mức LOW và B ở mức HIGH. . .11
Hình 2.9 Dòng điện chạy trong mạch cầu khi B ở mức LOW và A ở mức HIGH...12
Hình 2. 10 Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H.................................................................13
Hình 2.11 Mạch Arduino R3....................................................................................15
Hình 2. 12 Mạch điều khiển máy in 3D RAMPS 1.4...............................................16
Hình 2.13 Arduino Mega 2560 R3...........................................................................17

Hình 2.14 Mở rộng cánh cửa với IoT......................................................................17
Hình 2. 15 Phần mềm arduino 1.8.7........................................................................18
Hình 2. 16 Module cảm biến góc gia tốc MPU6050 GY-521..................................19
Hình 2.17 Cấu tạo và công dụng chân của MPU6050.............................................20
Hình 2. 18 Module cảm biến Bkuetooth HC 06......................................................22
Hình 2. 19 Kết nối Arduino với HC-06...................................................................23
Hình 2.20 Khối nguồn và mạch khuếch đại.............................................................24
YHình 3. 1 Quãng đường xe chạy được..................................................................25
Hình 3.2 Cấu trúc bộ điều khiển PID cho hệ robot hai bánh tự cân bằng................27
YHình 4. 1 Mô hình 3D...........................................................................................29
Hình 4.2 Sơ đồ kết nối xe 2 bánh tự cân bằng.........................................................31
Hình 4. 3 Sơ đồ kết nối xe 2 bánh tự cân bằng bằng phần mềm..............................31
Hình 4.4 Giao diện ứng dụng điều khiển xe 2 bánh tự cân bằng bằng bluetooth.....32
Hình 4. 5 Lưu đồ giải thuật điều khiển....................................................................33
Hình 4. 6 Sản phẩm đầu tiên....................................................................................42


Hình 4. 7 Sản phẩm xe hai bánh tự cân bằng...........................................................42
YHình 6. 1 Mô hình 3 hình chiếu xe tự cân bằng....................................................44
Hình 6.2 Động cơ NF5475 và bản vẽ chi tiết..........................................................45
Hình 6.3 Bánh xe không giảm tốc và bản vẽ chi tiết...............................................46
Hình 6.4 Gá đỡ động cơ và bản vẽ chi tiết...............................................................47
Hình 6. 5 Trụ đồng cái cái và bản vẽ chi tiết...........................................................48
Hình 6.6 Hình ảnh khung mica trên và bản vẽ chi tiết.............................................49
Hình 6.7 Hình ảnh khung mica dưới và bản vẽ chi tiết............................................50
Hình 6.8 Hình ảnh và bản vẽ pin lipo......................................................................51


KÍ HIỆU CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT NẾU CÓ

Từ viết tắt

Ý nghĩa

PWM

Điều chế độ rộng xung

VĐK

Vi điều khiển

MOSFET

Transitor hiệu ứng trường

LCD

Màn hình tinh thể lỏng

LED

Diode phát quang

3G

Công nghệ truyền thông hệ thứ 3

GPRS

Dịch vụ vô tuyến trọn gói

GPS

Hệ thống định vị toàn cầu

ICSP
IoT
ADC
ERD
Pair

In Circuit Serial Programming
(trong lập trình nối tiếp mạch)
Internet Vạn Vật
Mạch chuyển đổi tương tự ra số
Enhanced datarate
(Tốc độ dữ liệ nâng cao)
Ghép cặp


CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH XE HAI BÁNH TỰ
CÂN BẰNG

1.1 Lịch sử hình thành và phát triển robot
Vậy đã bao giờ các bạn tự hỏi robot bắt nguồn từ đâu chưa? Chắc hẳn nhiều bạn sẽ
nghĩ robot mới chỉ xuất hiện cách đây không lâu hoặc thậm chí một số bạn còn nghĩ robot
mới chỉ đang nằm trong trí tưởng tượng của con người. Thực ra không phải vậy, robot

xuất hiện từ rất sớm, từ tận thế kỉ III trước công nguyên. Thời bấy giờ, Chu Mục Vương
và một người nữa là YanShi đã phác thảo ra các ý tưởng về máy tự động và cơ khí đầu
tiên. YanShi sau đó đã chế tạo ra một cỗ máy và trở thành nhà chế tạo đầu tiên trên thế
giới. Xuyên suốt thời cổ đại và thời trung cổ, robot liên tục xuất hiện với các ví dụ như
chim máy bằng gỗ với khả năng bay lượn và hoạt động bằng hơi nước. Một số ví dụ khác
có thể kể tới là các bản phác thảo về người máy, robot vịt cơ khí với chức năng ăn uống,
vỗ cánh và bài tiết và nhiều robot mô phỏng sinh vật khác được chế tạo.
Tới năm 1927, robot điện tử lần đầu tiên xuất hiện trên phim ảnh. Năm 1948, các
nguyên lý nền tảng về robot và tự động hoá được đưa ra, tạo tiền đề cho robot học sau
này. Cho tới năm 1961, robot điện tử đầu tiên trên thế giới ra đời, được đặt tên là
Unimate, với tác dụng nâng phần nóng của miếng kim loại từ một máy đúc chết ra và sắp
xếp lại theo trật tự nhất định. Đó quả thực là một cột mốc vĩ đại cho kỷ nguyên robot của
con người
Ngày nay, robot đã và đang phát triển mạnh mẽ và được ứng dụng rộng rãi trong
đời sống và sản xuất, các cường quốc thế giới về robot phải kể tới Mỹ và Nhật. Robot
thương mại và robot công nghiệp ngày càng trở nên phổ biến với giá cả phải chăng và độ
chính xác cao hơn nhiều so với thời kì trước. Một số robot còn được sử dụng để thay thế
con người làm việc trong các môi trường có độ ô nhiễm mạnh. Bên cạnh đó, robot còn
được sử dụng trong việc thăm dò vũ trụ, lòng đất hoặc làm các công việc mang tính đơn
điệu. Các ngành công nghiệp chế tạo cũng có sự góp mặt không nhỏ của robot. Robot
cũng được ứng dụng trong phẫu thuật, thăm dò và trong các dây chuyền sản xuất hàng
loạt.
1.2

Mục tiêu đề tài
1.
2.
3.
4.

Nghiên cứu về board Ardunio Mega 2560 R3.
Tìm hiểu về cảm biến gia tốc và cảm biến góc
Tìm hiểu về thuật toán cân bằng
Xây dựng mô hình và viết chương trình điều khiển
1


1.3

Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng
1. Board Arduino Mega 2560 R3.
2. Cảm biến gia tốc MPU 6050.
3. Module điều khiển động cơ L298 Mini.
4. Module Bluetooth HC-06.
- Phạm vi nghiên cứu
1. Code chạy chương trình.
2. Ứng dụng vào thực tiễn.
-

1.4
-

Mô hình xe hai bánh tự cân bằng điều khiển bằng blutooth
Đôi nét về lịch sử hình thành mô hình xe hai bánh tự cân bằng

Xe hai bánh tự cân bằng đặt chân vào thị trường Việt Nam vào khoảng năm 2007
nhưng có vẻ chỉ những năm gần đây thì nó mới thực sự trở nên phổ biến. Những thế hệ
đầu tiên của loại xe điện 2 bánh tự cân bằng này được sản xuất bởi công ty Segway Inc

có trụ sở tại Hoa Kỳ. Segway PT (viết tắt của Segway Personal Transporter - Xe cá nhân
Segway), thường được gọi tắt là Segway là một phương tiện giao thông cá nhân có hai
bánh, hoạt động trên cơ chế tự cân bằng do Dean Kamen phát minh. Loại xe này được
sản xuất bởi công ty Segway Inc. ở bang New Hampshire, Hoa Kỳ. Từ "Segway" phát âm
gần giống với "segue" (một từ gốc tiếng Ý có nghĩa "di chuyển nhẹ nhàng").
Đặc điểm nổi bật của Segway là cơ chế tự cân bằng nhờ hệ thống máy tính, động
cơ và con quay hồi chuyển đặt bên trong xe, nó giúp cho xe dù chỉ có một trục chuyển
động với hai bánh nhưng luôn ở trạng thái cân bằng, người sử dụng chỉ việc ngả về đằng
trước hoặc đằng sau để điều khiển xe đi tiến hoặc đi lùi. Với các điều khiển sang phải
hoặc sang trái, Segway có một cần lái gọi là "Lean Steer" - muốn điều khiển sang phải
hoặc sang trái chỉ cần nghiêng cần lái về phía đó. Động cơ của Segway PT có thể đạt tốc
độ 5,6 m/s (hay 20 km/h). Do có giá thành khá cao và mới chỉ thích hợp ở các địa điểm
bằng phẳng nên Segway PT hiện chủ yếu được sử dụng ở các sở cảnh sát, căn cứ quân sự,
cơ sở sản xuất hoặc khu công nghiệp.
Thông tin về một loại xe mang tính cách mạng trong giao thông cá nhân bắt đầu từ
đầu năm 2001, ban đầu loại xe này được gọi bằng cái tên Ginger hoặc IT và nó được phát
triển từ dự án xe lăn tự leo cầu thang iBOT của Dean Kamen. Bình luận về giá trị của dự
án này, Steve Jobs đã cho rằng nó "có ý nghĩa lớn như sự ra đời của PC" nhưng ông cũng
chê bai thiết kế của Ginger khi cho rằng chiếc xe trông không thanh lịch và không thân
thiện với người dùng. Công nghệ cân bằng cho hai bánh của Ginger được báo chí dự
đoán là sẽ dựa trên động cơ Stirling hoặc cơ chế phản hấp dẫn.
2


Chiếc xe ra mắt lần đầu trước công chúng Mỹ vào ngày 3 tháng 12 năm 2001 trên
chương trình Good Morning America của đài ABC. Đến tháng 9 năm 2003 nó được đổi
tên thành Segway PT sau khi một phần mềm mới được sử dụng cho hệ thống máy tính
của xe để khắc phục lỗi thiếu cơ chế báo cạn năng lượng dễ gây nguy hiểm cho người
dùng. Phần mềm mới cho phép Segway tự động chạy chậm và dừng khi năng lượng của
pin nhiên liệu bắt đầu cạn.

Trong năm 2003 công ty Segway Inc. đã bán được 6.000 sản phẩm. Tính cho đến
tháng 9 năm 2006 đã có khoảng 23.500 Segway được bán ra. Tháng 5 năm 2006 Segway
Inc. thông báo rằng chính quyền thành phố Chicago đã ký với họ một hợp đồng 20 năm
có giá trị 580.000 USD nhằm mua 30 Segway PT phục vụ cho các cơ sở công ích của
thành phố như cảnh sát, cứu hỏa, đây là hợp đồng lớn nhất mà Segway Inc được ký với
các chính quyền thành phố.
Tháng 8 năm 2006, Segway cho ngừng sản xuất các mẫu cũ để cho ra đời Segway
thế hệ hai gồm 2 dòng sản phẩm i2 và x2, cho phép người dùng sử dụng một cần lái để
điều khiển sang phải hoặc sang trái bằng cách nghiêng cần lái về phía đó, tương tự với
cách thức điều khiển xe đi tiến hoặc đi lùi. Một tháng sau đó, khách hàng của toàn bộ
23.500 xe Segway được hãng Segway Inc. đề nghị thu hồi để lắp thêm một phần mềm
mới nhằm khắc phục lỗi của hệ thống bánh xe có thể hất người dùng khỏi Segway khi sử
dụng ở vận tốc tối đa.
Các thế hệ Segway thứ nhất (ra đời năm 2003) bao gồm:
- Segway HT i167 và Segway HT e167: Đây là hai dòng sản phẩm đầu tiên của
Segway. Khác biệt giữa hai dòng là e167 có khả năng tự cân bằng ngay cả khi
không có người lái nhờ áp dụng hệ thống Electronic Kickstand. HT là từ viết
tắt của Human Transporter.
- Segway HT p13: Dòng sản phẩm có công nghệ tương tự dòng i và e nhưng
nhỏ hơn và có động cơ yếu hơn.
- Segway XT: Tương tự các dòng trên nhưng được thiết kế chuyên cho mục
đích giải trí.
- Các thế hệ Segway thứ hai (ra đời năm 2006) bao gồm:
- Segway PT i2: Lần đầu sử dụng các bánh lái LeanSteer và công nghệ InfoKey.
- Segway PT x2: Chuyên dụng cho các mục đích giải trí như đánh golf (thay thế
dòng XT cũ).
- Các dòng i2 và x2 có trọng lượng tương ứng là 48 và 54 kg.
Trong những năm gần đây xu hướng toàn cầu định hướng cho tương lai, kỉ nguyên
của IOT (vạn vật kết nối) đã thúc đẩy cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 như một tất yếu
3

đòi hỏi các nhà nghiên cứu, nhà sản xuất từng bước cải tiến, ngày càng một hiên đại hơn
đáp ứng xu thế kết nối mở, đa tầng. Đó chính là tình hình thế giới nói chung còn đối với
Việt Nam nói riêng cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 hay cách mạng công nghiệp lần thứ
4 như một xu thế mà Việt Nam cần phải nắm bắt thời cơ cùng với thế giới.
Thực tế đã chứng minh rằng, sự tiến bộ trong máy tính, nguồn nhân lực đầy tiềm
năng và trí thông minh nhân tạo sẽ làm cho những chiếc xe này ở hiện tại và tương lai sẽ
ngày càng một hiện đại, ngày càng đáp ứng được nhu cầu sử dụng của con người trong
đời sống và phục vụ trong công nghiệp sản xuất. Những chiếc xe hai bánh tự cân bằng
này hứa hẹn sẽ có một tương lai bùng nổ mạnh mẽ ở Việt Nam nói riêng và thế giới nói
chung.
-

Đôi nét về sự phát triển của mô hình xe hai bánh tự cân bằng.

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, việc ứng dụng khoa học chế
tạo robot phục vụ nhu cầu sản xuất và nâng cao chất lượng cuộc sống con người đang là
vấn đề được các nhà nghiên cứu quan tâm và cải tiến.
-

Mô hình xe hai bánh tự cân bằng có những ưu điểm như sau:
- Nhỏ gọn, linh hoạt, thân thiện với môi trường.
- Không ô nhiễm, sử dụng bộ nguồn là Pin, có thể sạc điện.
- Sử dụng không gian hiệu quả, đa năng (sử dụng ở mọi ngóc ngách).
- Dễ điều khiển, chiếm ít diện tích, hoàn thành có thể trở thành một phương tiện
vận chuyển và tham gia giao thông.

Với khả năng tự cân bằng trên 2 bánh, loại robot này đang được cải tiến và chế tạo
thành phương tiện giao thông trong tương lai. Việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô

hình robot tự cân bằng nhằm hướng tới phát triển các phương pháp điều khiển hiện đại để
nâng cao chất lượng điều khiển cho robot và ứng dụng robot vào sản xuất và đời sống là
cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn.
-

Nhược điểm của mô hình xe hai bánh tự cân bằng

Bên cạnh những ưu điểm thì còn có những nhược điểm hạn chế của xe như sau:
Hai động cơ motor còn yếu chưa thể vực được thân xe lên khi bị đổ.
Xe hai bánh không đủ nhanh để di chuyển nhanh như xe thông thường khác.
Thiết kế cơ khí với khung bằng nhựa cứng nên còn nhiều điểm hạn chế.
Xe đi tốt trên địa hình bằng phẳng nhưng nếu đi xe vào địa hình phức tạp xe khó thể

di chuyển và có hiện tượng bị lật xe.
Tính ứng dụng được trong thực tế

4


Xây dựng được một phương tiện vận chuyển mới trong khu vực chật hẹp có thể di
chuyển trong các chung cư, tòa nhà cao tầng, dùng để di chuyển về mặt con người và vận
chuyển hàng hóa.
Làm phương tiện vận chuyển hàng hóa đến những nơi đã được lập trình sẵn ở
trong các tòa nhà, phòng làm việc, những không gian chật hẹp…
Kết hợp thêm các robot camera, robot dò đường… thì tính ứng dụng vào thực tế được
đáp ứng cao theo nhu cầu công việc.
Khả năng hiên tại của mô hình xe hai bánh tự cần bằng.
Nhìn chung mô hình hoạt động khá ổn định, di chuyển nhanh và có độ nhạy góc
nghiêng của xe so với mặt nền chạy là tương đối cao. Tùy theo độ nghiêng của mặt nền
mà xe có thể chạy theo hướng nghiêng đó. Khi có tác động từ bên ngoài vào thân xe để

làm cho thân xe mất độ ổn định thì xe nhanh chóng quay về trạng thái cân bằng để giữ
cho thân xe ổn định.
Robot hai bánh tự cân bằng là một trong những sản phẩm thực áp dụng nguyên lý
mô hình con lắc ngược. Việc nghiên cứu, phát triển robot hai bánh tự cân bằng có thể tạo
tiền để cho sự phát triển của robot trong tương lai, hướng đến mục tiêu xây dựng những
robot có hình dạng, cách thức di chuyển hay thậm chí là có suy nghĩ giống con người.
Mục tiêu của đề tài là xây dựng một robot có cấu trúc đơn giản phục vụ cho việc nghiên
cứu, giảng dạy, đưa ra một mô hình thực tế, đơn giản về việc xây dựng một hệ thống cơ
điện tử.

5


CHƯƠNG 2.

THIẾT KẾ HỆ THỐNG

Hình 2.1 Sơ đồ khối của hệ thống
2.1

Khối nguồn
Sử dụng PIN LIPO 2200mAh 11.1V.

2.2

Khối điều khiển

Xuất tín hiệu đến khối chấp hành theo chương trình đã được thiết lập sẵn. Bao
gồm: Arduino Mega 2560 R3, Module L298 mini, Module MPU-6050, Module
Bluetooth HC06.

6


2.3

Khối chấp hành

Nhận tín hiệu từ khối điều khiển, thực hiện các lệnh điều khiển do khối điều khiển
đưa ra tạo sự chuyển động của động cơ. Bao gồm: motor trái phải.


Giới thiệu về động cơ giảm tốc và bánh xe

Hình 2.2 Động cơ và bánh xe.
Thông số kỹ thuật:


Điện áp: 10-20V DC



Công suất: 32W



Tốc độ: 4500 vòng/phút



Encoder: 200 xung, 2 kênh A B, điện áp 5V DC



Bánh xe: D = 10cm.

2.4

Khối điều khiển
2.4.1

Mạch điều khiển động cơ sử dụng module L298 mini

2.4.1.1

Giới thiệu về module L298 mini

Hình ảnh thực:

Hình 2.3 Module điều khiển động cơ L298 mini.
7


2.4.1.2

Thông số kĩ thuật

1. Mạch điều khiển động cơ cầu H có thể điều khiển hai động cơ DC hoặc một
động cơ bước, tăng giảm tốc độ và đảo chiều dựa vào PWM.
2. Điện áp cung cấp: 2-10VDC.

3. Điện áp đầu vào tín hiệu là 1.8-7V.
4. Mỗi kênh có dòng chịu tải tối đa 2.5A.
5. Khi lỗi đầu vào: động cơ sẽ dừng hoạt động.
6. Tích hợp bảo vệ quá nhiệt.
7. Kích thước sản phẩm: 31 * 32 * 5mm (chiều dài, chiều rộng và chiều cao),
kích thước nhỏ, thích hợp cho lắp ráp và xe.
8. Đường kính lỗ: 2 mm.
9. trọng lượng: tiêu chuẩn 5g, cao với 11g.



Ghi chú:
1. Ngược cực sẽ gây hư hỏng mạch, cần lưu ý
2. Mạch quá điện áp 10V hoặc quá tải (lớn hơn 2.5A mỗi kênh) sẽ bị hỏng
2.4.1.3



Cấu tạo

Các chân tín hiệu
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.

Cắm dây nguồn cung cấp điện áp cho motor từ 2V đến 10V
Cắm dây GND của nguồn
IN1
IN2
IN3
IN4
DC motor 1 “+”, “-”
DC motor 2 “+”, “-”

Module L298 mini là một module điều khiển động cơ, động cơ ở đây là động cơ
DC. Để linh hoạt trong việc giữ ổn định cho xe được cân bằng thì động cơ phải đảo chiều
quay liên tục nhờ mạch cầu H được tích hợp trong module điều khiển động cơ L298 mini
Mặt khác, để kiểm soát hướng quay, chúng ta chỉ cần đảo chiều hướng dòng điện
một chiều qua động cơ, và phương pháp phổ biến nhất là sử dụng một cầu H. Một mạch
H-Bridge chứa bốn thành phần chuyển mạch, bóng bán dẫn hoặc MOSFET, với động cơ
ở trung tâm tạo thành một cấu hình giống H. Bằng cách kích hoạt hai thiết bị chuyển
mạch cụ thể cùng một lúc, chúng ta có thể thay đổi hướng dòng điện hiện tại, do đó thay
đổi hướng quay của động cơ.

8


Hình 2. 1 Mạch cầu H
Vì vậy, nếu chúng ta kết hợp hai phương pháp này, PWM và H-Bridge, chúng ta
có thể có một sự kiểm soát hoàn toàn trên động cơ DC. Có rất nhiều trình điều khiển
động cơ DC có các tính năng này và module L298 mini là một trong số đó.
2.4.1.4

Giới thiệu về mạch cầu H

Hình 2. 2 Mạch cầu H gồm 4 công tắc
Xét một cách tổng quát, mạch cầu H là một mạch gồm 4 "công tắc" được mắc
theo hình chữ H. Bằng cách điều khiển 4 "công tắc" này đóng mở, ta có thể điều khiển
được dòng điện qua động cơ cũng như các thiết bị điện tương tự.

9


4 "công tắc" này thường là Transistor BJT, MOSFET hay relay. Tùy vào yêu cầu
điều khiển khác nhau mà người ta lựa chọn các loại "công tắc" khác nhau.

Hình 2.6 Điều chỉnh dòng điện chạy trong mạch cầu H

 Mạch cầu H dùng transistor BJT
Mạch cầu H dùng transistor BJT là loại mạch được sử dụng khá thông dụng cho
việc điều khiển các loại động cơ công suất thấp. Lí do đơn giản là vì transistor BJT
thường có công suất thấp hơn các loại MOSFET (relay thì không phải bàn rồi), đồng đời
cũng rẻ và dễ tìm mua, sử dụng đơn giản.
Đây là sơ đồ tổng quát của một mạch cầu H sử dụng transistor BJT

Hình 2.3 Sơ đồ tổng quát mạch cầu H sử dụng BJT
Trong sơ đồ này, A và B là 2 cực điều khiển. 4 diode có nhiệm vụ triệt tiêu dòng
điện cảm ứng sinh ra trong quá trình động cơ làm việc. Nếu không có diode bảo vệ, dòng
điện cảm ứng trong mạch có thể làm hỏng các transistor.
10


Transistor BJT được sử dụng nên là loại có công suất lớn và hệ số khếch đại lớn.
 Nguyên lí hoạt động của mạch cầu H.
Theo như sơ đồ trên, ta có A và B là 2 cực điều khiển được mắc nối tiếp với 2 điện trở

hạn dòng, Tùy vào loại transistor bạn đang dùng mà trị số điện trở này khác nhau. Phải
đảm bảo rằng dòng điện qua cực Base của các transistor không quá lớn để làm hỏng
chúng. Trung bình thì dùng điện trở 1k Ohm.
Ta điều khiển 2 cực này bằng các mức tín hiệu HIGH, LOW tương ứng là 12V và 0V.
Nhớ lại rằng:


Transistor BJT loại NPN mở hoàn toàn khi điện áp ở cực Base bằng điện áp

ở cực Collector, trong mạch đang xét hiện tại là 12V.


Transistor BJT loại PNP mở hoàn toàn khi điện áp ở cực Base bằng 0V.

Với 2 cực điều khiển và 2 mức tín hiệu HIGH/LOW tương ứng 12V/0V cho mỗi cực,
có 4 trường hợp xảy ra như sau:

 A ở mức LOW và B ở mức HIGH

Hình 2.4 Dòng điện chạy trong mạch cầu khi A ở mức LOW và B ở mức HIGH
Ở phía A, transistor Q1 mở, Q3 đóng. Ở phía B, transistor Q2 đóng, Q 4 mở. Dó
đó, dòng điện trong mạch có thể chạy từ nguồn 12V đến Q1, qua động cơ đến Q4 để về
GND. Lúc này, động cơ quay theo chiều thuận.

11


 A ở mức HIGH và B ở mức LOW

Hình 2.5 Dòng điện chạy trong mạch cầu khi B ở mức LOW và A ở mức HIGH

Ở phía A, transistor Q1 đóng, Q3 mở. Ở phía B, transistor Q2 mở, Q 4 đóng. Dó
đó, dòng điện trong mạch có thể chạy từ nguồn 12V đến Q2, qua động cơ đến Q3 để về
GND. Lúc này, động cơ quay theo chiều ngược.



A và B cùng ở mức LOW

Khi đó, transistor Q1 và Q2 mở nhưng Q3 và Q4 đóng. Dòng điện không có đường về
được GND do đó không có dòng điện qua động cơ - động cơ không hoạt động.



A và B cùng ở mức HIGH

Khi đó, transistor Q1 và Q2 đóng nhưng Q3 và Q4 mở. Dòng điện không thể chạy
từ nguồn 12V ra do đó không có dòng điện qua động cơ - động cơ không hoạt động.
Như vậy, để dừng động cơ, điện áp ở 2 cực điều khiển phải bằng nhau.
2.4.1.5

Cách sử dụng

IC L298 là một IC tích hợp nguyên khối gồm 2 mạch cầu H bên trong. Với điện áp
làm tăng công suất nhỏ như động cơ DC loại vừa…
 Tóm tắt chức năng các chân của L298 mini
12


-

4 Chân INPUT: IN1, IN2, IN3, IN4 của L298 mini được nối lần lượt với

các chân 8, 9, 10, 11 của Arduino Mega 2560 R3. Đây là các chân nhận tín hiệu
điều khiển.
- 4 Chân OUTUT: OUT1, OUT2, OUT3, OUT4 (tương ứng với các chân
INPUT) được nối với động cơ DC Trái, Phải.
- Chân GND của L298 mini nối với chân GND của boarrd Arduino.
Với bài toán đặt ra ở trên, ta cần lưu ý đến cách điều khiển chiều quay với
L298 mini:
-

INT1 = 1; INT2 = 0: Động cơ trái quay thuận.
INT1 = 0; INT2 = 1: Động cơ trái quay nghịch.
INT1 = INT2: Động cơ dừng trái ngay tức thì.
INT3 = 1; INT4 = 0: Động cơ phải quay nghịch.
INT3 = 0; INT4 = 1: Động cơ phải quay thuận.
INT3 = INT4: Động cơ phải dừng ngay tức thì.

Trong báo cáo này sử dụng module L298 mini để điều khiển chiều quay của động
cơ DC.
Sơ đồ nguyên lý:

Hình 2. Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H

13


2.4.1.6

Chức năng

Nhận xung từ board Arduino Mega 2560 R3 và truyền tín hiệu ra động cơ
2.4.2

Kit Arduino Mega 2560 R3

2.4.2.1

Giới thiệu chung về Arduino Mega 2560 R3

2.4.2.2

Lịch sử ra đời của Arduino

Arduino ra đời tại thị trấn Ivrea, nước Ý và được đặt theo tên một vị vua vào thế
kỷ thứ 9 là King Arduin.
Nó chính thức được đưa ra giới thiệu vào năm 2005 như là một công cụ cho sinh
viên học tập của giáo sư Massimo Banzi, một trong những người phát triển Arduino tại
trường Interaction Design Instistute Ivrea (IDII). Dù hầu như không có một sự tiếp thị
hay quảng cáo nào nhưng tin tức về Arduino vẫn lan truyền với tốc độ chóng mặt nhờ vô
vàn lời truyền miệng tốt đẹp của những người dùng đầu tiên.
Chính vì tính tiện lợi và đơn giản cho người sử dụng mà Arduino đã trở thành một
hiện tượng trong làng điện tử thế giới. Những sản phẩm của cộng đồng người dùng
Arduino cũng lớn đến mức không như những thiết bị hỗ trợ Arduino thể thống kê được.
Nó phát triển đến mức mà ta có thể gọi nó là một hệ sinh thái đa dạng như tiêu đề - giống
như Windows hay Android.
 Arduino có thể kết nối với những gì?
Một hệ thống Arduino có thể cung cấp cho người dùng rất nhiều sự tương tác với
môi trường xung quanh với:

Hệ thống cảm biến đa dạng về chủng loại (đo đạc nhiệt độ, độ ẩm, gia tốc, vận tốc, cường
độ ánh sáng, màu sắc vật thể, lưu lượng nước, phát hiện chuyển động, phát hiện kim loại,
khí độc,),...
Các thiết bị hiển thị (màn hình LCD, đèn LED,).
Các module chức năng (shield) hỗ trợ kêt nối có dây với các thiết bị khác hoặc các
kết nối không dây thông dụng (3G, GPRS, Wifi, Bluetooth, 315/433Mhz, 2.4Ghz,), …
Định vị GPS, nhắn tin SMS…

Hinh ảnh thực:
14


Hình 2. Mạch Arduino R3
Arduino Mega 2560 R3 là
một vi điều khiển hoạt
động dựa trên chip ATmega2560. Bao gồm:


54 chân digital (trong đó có 15 chân có thể được sủ dụng như những chân



PWM là từ chân số 2 → 13 và chân 44 45 46).
6 ngắt ngoài: chân 2 (interrupt 0), chân 3 (interrupt 1), chân 18 (interrupt

5), chân 19 (interrupt 4), chân 20 (interrupt 3), and chân 21 (interrupt 2).
 16 chân vào analog (từ A0 đến A15).
 4 cổng Serial giao tiếp với phần cứng:
 1 thạch anh với tần số dao động 16 MHz.
 1 cổng kết nối USB.

 1 jack cắm điện.
 1 đầu ICSP.
 1 nút reset.
Đối với những ai quan tâm tới Matlab thì Arduino Mega 2560 R3 cũng là một sự
chọn lựa tuyệt vời. Vì nó còn được tích hợp sẵn thư viện dành cho MatLab. Với viêc kết
hợp giữa Matlab và Arduino là một sự kết hợp thú vị.
 Hiện nay có một số shiled hỗ trợ cho Arduino Mega rất nhiều như:

Hình 2. Mạch điều khiển máy
15 in 3D RAMPS 1.4


 Thông số kĩ thuật

Chip xử lý

ATmega2560

Điện áp hoạt động

5V

Điện áp vào (đề nghị)

7V-15V

Điện áp vào (giới hạn)

6V-20V

Cường độ dòng điện trên mỗi 3.3V pin

50 mA

Cường độ dòng điện trên mỗi I/O pin

20 mA

Flash Memory

256 KB

SRAM

8 KB

EEPROM

4 KB

Clock Speed

16 MHz

Chi tiết sản phẩm

Hình 2.6 Arduino Mega 2560 R3
16

 Ứng dụng thực tế
Với sự tiện ích vô cùng lớn của Arduino Mega 2560, mạnh mẽ với bộ nhớ flash
lớn, số chân nhiều hơn và cùng số lượng shield hỗ trợ không hề nhỏ. Arduino Mega đã
được đưa vào các dự án lớn hơn như xử lý thông tin nhiều luồng, điều khiền nhiều động
cơ, xe điều khiển từ xa, LED cube hay còn mở rộng cánh cửa với thế giới IoT.

Hình 2.7 Mở rộng cánh cửa với IoT
Một vài lưu ý khi sử dụng Arduino Mega
 Khi bắt đầu sử dụng Arduino Mega 2560 R3, bạn nên chú ý lựa chọn lại board. Bằng
cách vào Tool → Board → Arduino Mega 2560 R3. Nhằm tránh trước đó bạn đã sử dụng
loại Arduino khác cổng vẫn còn nhận là board cũ nên khi thực hiện bạn sẽ gặp lỗi.
 Khi sử dụng chân RX, TX cuả Arduino, các bạn nên nhớ rút dây cắm tại 2 chân này ra
rồi hãy bắt đầu upload. Sau đó hãy cắm lại bình thường và sử dụng để tránh gặp phải lỗi.
 Không được phép cắm trực tiếp chân GND vào chân nguồn 5V, có thể dẫn tới hỏng
mạch.

 Lập trình cho Arduino

17