Thiết kế, cải tiến xe máy điện tự cân bằng

m
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

XE ĐIỆN TỰ CÂN BẰNG

SVTH: NGUYỄN ANH TUẤN
MSSV: 14145321
SVTH: NGUYỄN QUANG VINH
MSSV: 14145339
GVHD: Th.S VŨ ĐÌNH H́N

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2018


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tô

XE ĐIỆN TỰ CÂN BẰNG

SVTH: NGUYỄN ANH TUẤN
MSSV: 14145321
SVTH: NGUYỄN QUANG VINH
MSSV: 14145339
GVHD: Th.S VŨ ĐÌNH H́N

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2018
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM


Bộ mơn Điện Tử Ơ Tơ

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc
TP. Hồ Chí Minh, ngày ...... tháng ...... năm 2018

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên: 1. Nguyễn Anh Tuấn
2. Nguyễn Quang Vinh

MSSV: 14145321
MSSV: 14145339

Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tô

Mã ngành đào tạo:………...

Hệ đào tạo: Đại học chính quy

Mã hệ đào tạo:……………

Khóa: 2014 - 2018

Lớp: 141452A

1. Tên đề tài: Xe điện tự cân bằng.
2. Nhiệm vụ đề tài:

Thiết kế khung sườn và vỏ cho xe. Lắp đặt động cơ điện và cài driver làm cho
xe hoạt động được. Tính toán thiết kế hệ thống cân bằng tự động cho xe
3. Sản phẩm của đề tài:

Xe có ngoại hình đẹp, có thể hoạt động được, có khả năng tự động cân bằng
4. Ngày giao nhiệm vụ đề tài: 10/2017
5. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 1/2018

TRƯỞNG BỘ MÔN

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

Bộ mơn Điện Tử Ơ Tơ


NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
Tên đề tài: Xe điện tự cân bằng

Họ và tên sinh viên: 1. Nguyễn Anh Tuấn
2.Nguyễn Quang Vinh

MSSV: 14145321
MSSV: 14145339

Ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tô
I.

NHẬN XÉT
1. Về hình thức trình bày & tính hợp lý của cấu trúc đề tài:
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
2. Về nội dung (đánh giá chất lượng tiểu luận, ưu/khuyết điểm và giá trị thực tiễn)
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................

II.

NHỮNG NỘI DUNG CẦN ĐIỀU CHỈNH, BỔ SUNG
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................

III.

ĐỀ NGHỊ VÀ ĐÁNH GIÁ
1. Đề nghị (cho phép bảo vệ hay không): …………………………………………

2. Điểm đánh giá (theo thang điểm 10): ……………………………………………
TP.HCM, ngày … tháng … năm 2018
Giảng viên hướng dẫn
(Ký, ghi rõ họ tên)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Bộ mơn Điện Tử Ơ Tơ

CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc


NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN
Tên đề tài: Xe điện tự cân bằng
Họ và tên sinh viên: 1. Nguyễn Anh Tuấn
2.Nguyễn Quang Vinh

MSSV: 14145321
MSSV: 14145339

Ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tô
I.

NHẬN XÉT
1. Về hình thức trình bày & tính hợp lý của cấu trúc đề tài:
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................

.............................................................................................................................................
2. Về nội dung (đánh giá chất lượng tiểu luận, ưu/khuyết điểm và giá trị thực tiễn)
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................

II.

NHỮNG NỘI DUNG CẦN ĐIỀU CHỈNH, BỔ SUNG
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................

III.

ĐỀ NGHỊ VÀ ĐÁNH GIÁ
1. Đề nghị (cho phép bảo vệ hay không): …………………………………
2. Điểm đánh giá (theo thang điểm 10): ……………………………………………
TP.HCM, ngày … tháng … năm 2018
Giảng viên phản biện
(Ký, ghi rõ họ tên)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Bộ mơn Điện Tử Ơ Tơ

CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

XÁC NHẬN HOÀN THÀNH ĐỒ ÁN
Tên đề tài: Xe điện tự cân bằng
Họ và tên sinh viên: 1. Nguyễn Anh Tuấn
2. Nguyễn Quang Vinh

MSSV: 14145321
MSSV: 14145339

Ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tô
Sau khi tiếp thu và điều chỉnh theo góp ý của Giảng viên hướng dẫn, Giảng viên phản
biện và các thành viên trong Hội đồng bảo vệ. Đồ án tốt nghiệp đã được hoàn chỉnh đúng
theo yêu cầu về nội dung và hình thức.
Chủ tịch Hội đồng:

Giảng viên hướng dẫn:

Giảng viên phản biện:

Tp. Hồ Chí Minh, ngày ... tháng ... năm 2018


MỤC LỤC


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy Vũ Đình Huấn giảng viên bộ mơn Điện tử Ơ tơ trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh đã
tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và động viên chúng em trong suốt q trình thực hiện và
hồn thành đồ án tốt nghiệp này.

Sự thành công của đồ án tốt nghiệp này cũng là nhờ sự quan tâm giúp đỡ của thầy
cô trong khoa, em xin gửi lời cảm ơn tới quý thầy cô trong khoa Cơ khí Động lực trường
Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh đã tận tình truyền đạt kiến thức và tạo mọi
điều kiện giúp đỡ chúng em trong quá trình học tập, nghiên cứu. Với những kiến thức
quý báu đó khơng chỉ là nền tảng cho quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp mà còn là hành
trang quý giá để chúng em bước vào đời một cách tự tin và vững chắc.
Lời cuối cùng, em cũng xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường, các thầy cơ
trong trường, các phịng ban chức năng đã tạo mọi điều kiện tốt nhất để chúng em được
học tập nghiên cứu hoàn thành đồ án tốt nghiệp này. Xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè,
những người thân yêu của chúng em đã luôn dành sự quan tâm, khích lệ và động viên cho
chúng em trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Với điều kiện về thời gian cũng như là chi
phí có hạn khó tránh khỏi những sai sót nên chúng em rất mong nhận được ý kiến đóng
góp của quý thầy cơ để chúng em học hỏi thêm được nhiều kinh nghiệm.
Em xin chân thành cảm ơn!

8


LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Nhằm nâng cao tính năng tiết kiệm năng lượng và cũng như những tác động tới môi
trường xanh xung quanh, những phương tiện giao thông hằng ngày cần phải được phát
triển với tính năng khí thải chứa nhiều chất độc hại gây ảnh hưởng đến sức khỏe. Xe hai
bánh như xe máy, và mơ-tơ có nhiều khả năng hơn những chiếc xe hơi truyền thống; tuy
nhiên, khả năng này tùy thuộc chủ yếu vào sự khác nhau về mặt vật lý của chúng, giảm
khối lượng, ma sát mặt đường ít hơn và giảm lực kéo. Hơn thế nữa, nhiều người sử dụng
không muốn những vấn đề xảy ra khi lái xe như là ngã xe khi va chạm nhẹ hoặc những
vấn đề an toàn thậm chí là tai nạn, và những kỹ năng yêu cầu để cho xe cân bằng trong
suốt q trình sử dụng.
Có thể nói, Việt Nam là một nước có rất nhiều xe máy nói riêng và xe hai bánh nói
chung. Việc xảy ra tai nạn và những vấn đề khơng an tồn trong khi lái xe không nhỏ,

trong các nguyên nhân gây nên vấn đề này là kỹ năng giữ xe cân bằng không bị nghiêng
ngã hoặc là trượt, va chạm nhẹ khiến xe đỗ ngã.
Giải pháp để giảm thiểu tình trạng này, cho phép người lái xe không cần phải sử dụng
chân của mình quá nhiều trong khi xe đang chạy ở tốc độ chậm hoặc là những tác động
khác như gió mạnh và các va chạm nhẹ … Giải pháp nhắc tới đó là bổ sung thêm một
bánh xe nhỏ đê ổn định xe và được điều khiển điện tử, đây cũng là giải pháp giúp khắc
phục tối đa hiệu suất năng lượng cho toàn bộ xe.

9


TĨM TẮT

TÍNH TỐN THIẾT KẾ MƠ HÌNH XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG THEO PHƯƠNG
PHÁP CON QUAY HỒI CHUYỂN
1.Tóm tắt
Hiện nay sự phát triển của xe cân bằng là vô cùng phổ biến mạnh mẽ trong tương
lai, loại xe cân bằng sẽ dần thay thế các xe thông thường để thành phương tiện đi lại
thơng dụng vừa an tồn vừa tiện lợi cũng như đảm bảo tính an toàn cho người lái xe đói
với những người chạy xe chưa vững. Nhận thấy tính quan trọng của xe cân bằng nhóm đã
nghiên cứu lý thuyết và thực hiện mơ hình xe cân bằng là mơ hình xe cân bằng điều
khiển trực tiếp bánh đà và mơ hình xe cân bằng điều khiển gián tiếp bằng đối trọng.
Sau một thời gian nghiên cứu và tìm hiểu nhóm đã bước đầu thành cơng trong việc
nghiên cứu và chế tạo nhóm đã thành cơng trong phương pháp điều khiển cân bằng bằng
đối trọng và cũng đạt được một số thành công nhất định trong phương pháp cân bằng
điều khiển trực tiếp bánh đà.
2. Nội dung phương pháp
Phương trình động lực học
• Phương trình động học chính:
&

θ& m b h b 2 + m f h 2 f + I b + I r 
&= 0
+ g(m b h b + m f h f )θ − I p ωϕ

Thiết lập phương trình state space:
 x&= Ax + Bu

 y = Cx + Du

Từ đó ta có:
0
1 



g(m b h b + m f h f )
A=
0
  m b h b 2 + mf h 2f + Ib + Ir 



0




&
I p ωϕ
B=


 m b h b 2 + m f h 2f + Ib + Ir  



10


C = [ 1 0] ; D = 0

Từ các hệ số State space trên ta mơ
phỏng lập trình trong matlab Simulink.

Ta thu được đồ thị mô phỏng điều khiển
PID như dưới.

 Thực nghiệm mơ hình:

 Kết quả thực nghiệm:

11


Góc nghiêng của xe so với góc nghiêng mong muốn

Đồ thị thể hiện PID ứng với góc nghiêng

12

 Những hạn chế và hướng phát triển đề tài.
 Những hạn chế:
- Xe cân bằng ở phương diện thẳng chưa thể kiểm soát khi vừa cân bằng vừa di

-

-

chuyển.
Xe có chiều dài cơ sở khá lớn nên khó khăn cho việc quay đầu.

-

Xe cân bằng còn chưa được ổn định.

Phạm vi góc cân bằng của xe cịn nhỏ. Với lực tác dụng làm nghiêng xe lớn hay góc
nghiêng ban đầu của xe lớn thì bộ điều khiển cịn chưa đáp ứng được.

-

Các chi tiết thiết kế còn chưa đạt chuẩn để đáp ứng những ý tưởng ban đầu mong muốn.
 Hướng phát triển mơ hình:

-

Hồn thiện và chọn hệ số PID điều khiển phù hợp. Để xe được giữ thăng bằng ổn định
hơn và đáp ứng được góc nghiêng xe rộng hơn.

-

Hướng cho mơ hình xe có thể tự cân bằng ổn định khi di chuyển và lúc xe vào khúc cua.

-

Hướng phát triển thêm một bánh đà để xe để xe có thể ổn định hơn.

-

Hướng cho xe cân bằng có thể chạy tự động và né vật cản hay điều khiển từ xa bằng bộ
điển khiển.

DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
Analog

Tín hiệu kiểu liên tục

Bm

Hệ số nhớt động cơ DC
13


B

Lực hấp dẫn trung tâm xe đạp

BIOS

Hệ thống xuất nhập cơ bản

CMG:

Bộ bánh đà

CPU

Bộ xử lí trung tâm

D

Khâu vi phân

DDR3

Kiểu bộ nhớ ram

Digital

Tín hiệu số

DOF

Bậc tự do

Emf

Hằng số của motor

F

Lực hấp dẫn trung tâm bánh đà

GA

Phương pháp điều khiển kiểu GA

hb

Chiều cao từ trọng tâm xe đến mặt đất

hf

Chiều cao từ trọng tâm bánh đà xuống mặt đất

H2/H∞

Bộ điều khiển hỗn hợp

IDE

Môi trường phát triển tích hợp

Ip

Mô men quán tính cực của bánh đà

Ir

Mô men quán tính di qua tâm bánh đà

Ib

Mơ men qn tính của xe

MPU6050

Cảm biến góc nghiêng

Km

Mơ men xoắn

Ke

Mô men xoắn

L

Trị số cuộn cảm

MASS

Khối lượng thêm vào

mb

Khối lượng xe đạp

mf

Khối lượng bánh đà PD

P

Khâu tỉ lệ

PSO

Phương pháp điều khiển kiều PSO

PIO Mode

Kiểu vận chuyển dữ liệu
14


Qi

Tổng ngoại lực

R

Cuộn kháng của motor

SbRIO

Bo mạch chủ SbRIO

T

Tổng động năng của hệ thống

Tm

Mô men xoắn được tạo ra bởi động cơ

V:

Tổng năng lượng tiềm năng

vb

Vận tốc tuyệt đối của xe khi nghiêng

vf

Vận tốc tuyệt đối của xe khi nghiêng

VG400CC

Cảm biến nghiêng tích hợp

ω

Tốc độ góc bánh đà có

θ

Góc nghiêng xe đạp

ϕ

Góc nghiêng của bánh đà

θ&

Vận tốc góc xe đạp

φ roll

Góc nghiêng xe

15


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

DANH MỤC CÁC BẢNG

16


Chương 1. TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Nghiên cứu xe 2 bánh cân bằng đã có từ rất lâu trước đây và cho tới hiện nay vấn
đề này vẫn là đề tài nghiên cứu lớn trên thế giới. Năm 1911 xe cân bằng đã được biết đến
qua "Two Boys in a Gyrocar: The story of a New York to Paris Motor Race" tác giả là
Kenneth Brown, (Houghton Mifflin Co). Tuy nhiên nguyên mẫu gyrocar đầu tiên xuất
hiện năm 1912 bởi một luật sư và là thành viên gia đình hồng gia Nga. Từ đó cho đến
nay “GYROCAR” ln được nghiên cứu và phát triển với mong muốn cho ra đời dòng

xe phổ biến ứng dụng rộng rãi trong thực tế. Tại triển lãm CES2014 Litmotor chính thức
cho ra mắt mẫu xe cân bằng của mình và dự kiến sản xuất hàng loạt trong tương lai gần.
Nhận thấy nghiên cứu xe cân bằng là một đề tài thực tiễn nhiều tiềm năng và là xu
hướng mới trong nghiên cứu và thiết kế xe với mong muốn nghiên cứu và chế tạo một
mơ hình xe hai bánh cân bằng nhóm chúng em đã bắt tay nghiên cứu lý thut và thực
hiện một mơ hình xe cân bằng trên nền tảng adruino nhằm tìm hiểu về xe cân bằng.
Tình hình nghiên cứu và chế tạo xe cân bằng trong và ngoài nước
1.1.1. Ngoài nước
Trong những năm gần đây, nghiên cứu về xe hai bánh tự cân bằng đã được nhiều
nhà khoa học trên thế giới quan tâm. Trong đó một vấn đề khó khăn là nghiên cứu điều
khiển cân bằng xe hai bánh. Việc điều khiển cân bằng cho xe hai bánh có thể được ứng
dụng để điều khiển cho robot đi bằng hai chân, như robot ASIMO vì nguyên tắc điều
khiển cân bằng là như nhau. Có nhiều nghiên cứu về điều khiển cân bằng xe hai bánh, ví
dụ như robot Murata Boy được phát triển tại Nhật bản năm 2005.

17


Hình 1. 1 Bicycle Robot Murata Boy
Một số phương pháp được sử dụng để điều khiển cân bằng cho xe hai bánh là cân
bằng nhờ sử dụng bánh đà như trong các nghiên cứu của Beznos, Gallaspy năm 1999 và
Suprapto năm 2006, cân bằng bằng cách di chuyển tâm trọng lực của Lee và Ham năm
2006 và cân bằng nhờ lực hướng tâm của Tanaka và Murakami năm 2004.
Trong số các phương pháp đó, cân bằng nhờ sử dụng bánh đà có ưu điểm là đáp
ứng nhanh và có thể cân bằng ngay cả khi xe không di chuyển. Gần đây Litmotor đã cho
ra mẫu xe 2 bánh cân bằng được thương mại đầu tiên trong triển lãm CES2014.

Hình 1. 2 Xe cân bằng của Litmotor

18

1.1.2. Trong nước
Sau khi xe cân bằng được triển lãm ở CES2014 ở Việt Nam cũng có rất nhiều đề
tài nghiên cứu về xe cân bằng với nhiều phương pháp điều khiển khac nhau vi dụ như
phương pháp dùng bánh đà cân bằng của thạc sĩ Vũ Ngọc Kiên trường đại hoc công
nghiệp đại học thái nguyên, PGS TS. Bùi Trung Thành.

Hình 1. 3 Xe cân bằng của PGS TS Bùi Trung Thành
Mục đích nghiên cứu
Củng cố kiến thức chuyên môn, vận dụng và phát triển các kiến thức về lập trình
cơ bản (arduino) trong đề tài.
Xây dựng mơ hình về xe cân bằng làm phương tiện nghiên cứu cơ sở lý thuyết và
thực nghiệm về xe cân bằng.
Ứng dụng các phần mềm MATLAB (Simulink…), SOLIDWORKS vào mô phỏng
và thiết kế mơ hình.
Đưa ra một hướng mới cho các nghiên cứu của sinh viên chuyên ngành oto về xu
hướng phát triển xe hiện nay đó là xe cân bằng.
Đối tượng nghiên cứu
Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các loại xe cân bằng, động lực học
cân bằng của con quay hồi chuyển.
Thiết kế mơ hình xe cân bằng loại 2 bánh 1 vết sử dụng nguyên lý cân bằng con
quay hồi chuyển.
Nghiên cứu các phần mềm như Solidworks, Matlab để áp dụng quá trình nghiên
cứu xe cân bằng.
19


Nhiệm vụ nghiên cứu
Tìm hiều đầy đủ và chi tiết về nguyên lý con quay hồi chuyển, và phương pháp

cân bằng xe bằng con quay hồi chuyển.
Thiết kế mơ hình xe cân bằng bằng phương pháp con quay hồi chuyển và thử
nghiệm đo đạc trên mơ hình.
So sánh các thơng số trên mơ hình thực nghiệm và các thơng số lý thuyết rút ra kết
luận trực quan.
Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu trong phạm vi giảng dạy cho sinh viên.
Nghiên cứu từ tình hình thực tế các xe cân bằng hiện có trên thế giới và các nghiên
cứu xe cân bằng đã có trước đó.
Nghiên cứu từ các cơng trình nghiên cứu khoa học đã được cơng bố trước đó trên
thế giới và trong nước.
Nghiên cứu từ các tài liệu, giáo trình đang được dùng làm tài liệu tham khảo
Quy mơ nghiên cứu đề tài trên cơ sở khai thác các trang thiết bị hiện có trong nhà
trường và khai thác bên ngồi để hồn thành đề tài.
Khơng gian nghiên cứu: Trong trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. HCM.
Thời gian nghiên cứu: 2 tháng.
Nội dung nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết, thực hiện mơ hình xe cân bằng.
Giả thuyết khoa học
Giả thiết ta đưa ra các giải pháp thiết kế chế tạo mơ hình xe cân bằng. Nhận định
sơ bộ các phương án dựa trên cơ sở quan sát, lựa chọn phương pháp cân bằng xe hợp lý
phù hợp với điều kiện cơ sở kiểm chứng lại bằng thực nghiệm.
Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu từ các nguồn tài liệu như sách, giáo trình, các bài giảng, các bản vẽ,
sách tạp chí, nguồn tài liệu từ Internet.
Nghiên cứu từ thực tiễn.
Nghiên cứu từ thực nghiệm.
Tham khảo ý kiến chuyên gia.
==> Áp dụng các phương pháp nghiên cứu: Quan sát, tư duy, kiểm tra, thực nghiệm.

20

Chương 2. NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Lý thuyết về con quay hồi chuyển

Hình 2. 1 Con quay hồi chuyển
Con quay hồi chuyển là một thiết bị dùng để đo đạc hoặc duy trì phương hướng,
dựa trên các nguyên tắc bảo tồn mơ men động lượng. Thực chất, con quay hồi chuyển là
một bánh xe hay đĩa quay với các trục quay tự do theo mọi hướng.
Phương hướng này thay đổi nhiều hay ít tùy thuộc vào mô men xoắn bên ngồi
hơn là liên quan đến con quay có vận tốc cao mà không cần mô men động lượng lớn. Vì
mơmen xoắn được tối thiểu hóa bởi việc gắn kết thiết bị trong các khớp vạn năng, hướng
của nó duy trì gần như cố định bất kể so với bất kỳ chuyển động nào của vật thể mà nó
tựa lên.

21


Cũng có những con quay dựa trên các nguyên tắc vận hành như các thiết bị điện,
con quay MEMS vi mạch đóng gói được tìm thấy trên các thiết bị sử dụng điện, laser
vòng trạng thái rắn, con quay sợi quang học, và con quay lượng tử siêu nhạy.
Các ứng dụng của con quay như các hệ định vị quán tính nơi mà la bàn từ không
thể hoạt động (như trong kính thiên văn Hubble) hay không đạt đủ độ chính xác hay đối
với sự ổn định hóa của các thiết bị bay như máy bay trực thăng được điều khiển bằng tín
hiệu radia hoặc máy bay không người lái. Do có độ chính xác cao, con quay cũng được
dùng để định hướng trong khai thác mỏ hầm lò.

Con quay hồi chuyển đặc trưng bởi một số ứng xử như tiến động và chương động.
Con quay hồi chuyển có thể được sử dụng để làm la bàn con quay, loại bổ sung hoặc thay
thế la bàn từ (trên tàu, máy bay và phi thuyền không gian), để hỗ trợ tính ổn định (kính

thiên văn Hubble, xe đạp, xe máy và tàu thuyền) hoặc được sử dụng làm một bộ phận của
hệ dẫn đường quán tính. Các hiệu ứng hồi chuyển được sử dụng trong boomerang, yo-yo,
và PowerBall. Một số thiết bị quay khác như bánh đà cũng có cách hoạt động giống con
quay hồi chuyển, mặc dù hiệu ứng hồi chuyển không được sử dụng.

22


Hình 2. 2 Các lực tác động lên con quay
Phương trình cơ bản mơ tả quan hệ chuyển động của con quay hồi chuyển:
τ=

dL
d(I ω)
=
= Ia
dt
dt

Với các vectơ τ và L tương ứng là mô men xoắn và mô men động lượng, đại lượng
vô hướng I là mô men quán tính, vec-tơ ω là vận tốc góc, và vectơ α là gia tốc góc.

23


τ
Theo phương trình trên, momen xoắn vng góc với trục quay, và do vng góc

với L, nên tạo ra chuyển động quay quanh trục vng góc với cả

τ

và L. Chuyển động

này được gọi là tiến động.
Vận tốc góc của tiến động ΩP được tính từ tích vectơ:
τ = ΩpxL

Dưới một mơ men xoắn có độ lớn khơng đổi τ, vận tốc tiến động của con
quay ΩP tỉ lệ nghịch với L, độ lớn mơ men động lượng của nó là:
τ = ΩpLsin θ

Với θ là góc giữa 2 vectơ ΩP và L. Do vậy, nếu con quay quay chậm lại (ví dụ như
ảnh hưởng của ma sát), mô men động lượng của nó sẽ giảm và dẫn đến vận tốc tiến động
tăng. Quá trình này cứ tiếp tục cho đến khi thiết bị không thể quay đủ nhanh để chịu được
sức nặng của nó, khi nó dừng lại và rơi, chủ yếu là do ma sát chống lại tiến động gây ra
bởi một tiến động khác.
Theo quy ước 3 vectơ mômen xoắn, quay và tiến động - hoạt động theo quy tắc
bàn tay trái.
Để dễ dàng xác định được hướng của hiệu ứng con quay hồi chuyển, chỉ cần nhớ
rằng một bánh xe lăn có xu hướng, khi nó nghiêng sang một bên, ngược lại với hướng
nghiêng.
Nói một cách đơn giản khi ta cho bánh đà quay ở một tốc độ nhất đình thì nó sẽ
tạo ra một mơ men động lượng như sau:

L = Iω

24

Nếu như ta thả con quay hoạt động tự do khơng hạn chế như hình 2.2 thì con quay
hồi chuyển sẽ quay theo quỹ đạo hình trịn như hình 2.2 vì mơ men xoắn sẽ chịu tác động
bởi lực hấp dẫn trên con quay hồi chuyển và giữ cho nó không ngã trừ khi tốc độ bánh đà
không đủ đáp ứng.
Hiện nay các nghiên cứu về xe cân bằng đều sử dụng nguyên lý con quay hồi
chuyển để cân bằng xe có 3 phương pháp cân bằng chính đó là:
 Điều khiển chủ động Bánh đà đặt song song với bánh xe.
•

Điều khiển trực tiếp góc quay của bánh đà bằng MOTOR DC SERVO hay MOTOR DC
và có tín hiệu chỉnh.
 Điều khiển chủ động Bánh đà đặt vng góc với bánh xe.

•

Điều khiển trực tiếp góc quay của bánh đà bằng MOTOR DC SERVO hay MOTOR DC
và có tín hiệu chỉnh.
 Điều khuyển bị động bằng đối trọng cân bằng.

•

Điều khiển bị động cho bánh đà quay tự do dung một đối trọng tác động gián tiếp bánh
đà nhằm thay đổi góc nghiêng của bánh đà.
2.2. Ứng dụng thực tế của con quay hồi chuyển
Con quay hồi chuyển có rất nhiều loại khác nhau như:
Con quay hồi chuyển cơ điện tử.
Con quay hồi chuyển cơ khí.
Con quay hồi chuyển lượng tử loại 1.
Con quay hồi chuyển lượng tử loại 2.
Con quay hồi chuyển được dùng kết hợp với gia tốc kế trong các thiết bị di động

hiện đại ngày nay, đặc biệt là điện thoại thông minh và máy tính bảng. Gia tốc kế hỗ trợ
việc tính toán gia tốc tuyến tính tương đối so với khung tham chiếu – hệ qui chiếu (frame
of reference).

25