Tính toán thiết kế mô hình xe hai bánh tự cân bằng theo phương pháp con quay hồi chuyển

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI: TÍNH TỐN THIẾT KẾ MƠ HÌNH XE HAI
BÁNH TỰ CÂN BẰNG THEO PHƢƠNG PHÁP
CON QUAY HỒI CHUYỂN

SVTH: VÕ NHẬT NAM
MSSV: 13145166
SVTH: LÊ VĂN TẠO
MSSV: 13145227
GVHD: Th.S VŨ ĐÌNH HUẤN

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2017


TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Chuyên ngành: cơng nghệ Kỹ thuật ơ tơ

Tên đề tài: TÍNH TỐN THIẾT KẾ MƠ HÌNH XE HAI
BÁNH TỰ CÂN BẰNG THEO PHƢƠNG PHÁP CON
QUAY HỒI CHUYỂN

SVTH: VÕ NHẬT NAM
MSSV: 13145166
SVTH: LÊ VĂN TẠO

MSSV: 13145227
GVHD: Th.S VŨ ĐÌNH HUẤN

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2017


TRƢỜNG ĐH SƢ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TP. HỒ CHÍ MINH

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

******
TP. Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng 07 năm 2017

*******

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên: 1. Võ Nhật Nam
2. Lê Văn Tạo

MSSV: 13145166
MSSV: 13145227

Chuyên ngành: Cơ khí động lực

Mã ngành đào tạo: 52510205

Hệ đào tạo: Chính quy

Mã hệ đào tạo: K13145

Khóa: 2013-2017

Lớp: 131451

1. Tên đề tài: Tính tốn thiết kế mơ hình xe hai bánh tự cân bằng theo phƣơng
pháp con quay hồi chuyển
2. Nhiệm vụ đề tài: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và thực hiện mơ hình xe cân bằng
nhằm tìm hiểu nguyên lý hoạt động của xe cân bằng. Áp dụng những phần mềm
hỗ trợ nhƣ Arduino, Matlab, Solidworks PID, vào trong mơ hình thực tế điều
khiển cân bằng.
3. Sản phẩm của đề tài: Lý thuyết và Mơ hình xe cân bằng
4. Ngày giao nhiệm vụ đề tài:
5. Ngày hồn thành nhiệm vụ:

TRƢỞNG BỘ MƠN

CÁN BỘ HƢỚNG DẪN


TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

Bộ môn ……………………………..

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
(Dành cho giảng viên hướng dẫn)
Họ và tên sinh viên: Võ Nhật Nam

MSSV: 13145166

Hội đồng:…………

Họ và tên sinh viên: Lê Văn Tạo

MSSV: 13145227

Hội đồng:…………

Tên đề tài: Tính tốn thiết kế mơ hình xe hai bánh tự cân bằng theo phƣơng pháp con quay hồi
chuyển
Ngành đào tạo: Công nghệ Kỹ thuật ô tô
Họ và tên GV hƣớng dẫn: ThS. Vũ Đình Huấn
Ý KIẾN NHẬN XÉT
1. Nhận xét về tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên (không đánh máy)
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................

2. Nhận xét về kết quả thực hiện của ĐATN(khơng đánh máy)
2.1.Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN:
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................

...................................................................................................................................................................................

2.2 Nội dung đồ án:
(Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của đồ án, các hướng nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển)
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................

2.3.Kết quả đạt được:
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................


...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
……………………………………………………………………………………………………………………….

2.4. Những tồn tại (nếu có):
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................

3. Đánh giá:

1.

2.

Điểm
tối đa

Mục đánh giá

TT

Hình thức và kết cấu ĐATN

Điểm đạt
đƣợc

30

Đ ng format với đ y đủ cả hình thức và nội dung của các mục

10

Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài

10

Tính cấp thiết của đề tài

10

Nội dung ĐATN

50

Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ thuật, khoa
học hội

5

Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá

10

Khả năng thiết kế chế tạo một hệ thống, thành ph n, hoặc quy trình
đáp ứng yêu c u đưa ra với những ràng buộc thực tế.

15

Khả năng cải tiến và phát triển

15

Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, ph n mềm chuyên ngành

5

3.

Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề tài

10

4.

Sản phẩm cụ thể của ĐATN

10

Tổng điểm

100

4. Kết luận:
 Đƣợc phép bảo vệ
 Không đƣợc phép bảo vệ
TP.HCM, ngày

tháng 07 năm 2017

Giảng viên hƣớng dẫn
((Ký, ghi rõ họ tên)


TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

Bộ môn ……………………………..

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
(Dành cho giảng viên phản biện)

Họ và tên sinh viên: Võ Nhật Nam

MSSV: 13145166

Hội đồng…………

Họ và tên sinh viên: Lê Văn Tạo

MSSV: 13145227

Hội đồng…………

Tên đề tài: Tính tốn thiết kế mơ hình xe hai bánh tự cân bằng theo phƣơng pháp con quay hồi
chuyển
Ngành đào tạo: Công nghệ Kỹ thuật ô tô
Họ và tên GV phản biện: (Mã GV) ..................................................................................................
Ý KIẾN NHẬN XÉT
1. Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN:
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................

2. Nội dung đồ án:
(Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của đồ án, các hướng nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển)
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................

3. Kết quả đạt được:
...................................................................................................................................................................................

...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................

4. Những thiếu sót và tồn tại của ĐATN:
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................


...................................................................................................................................................................................
………………………………………………………………………………….........................................................

5. Câu hỏi:
.................................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................................

6. Đánh giá:

1.

2.

Điểm
tối đa

Mục đánh giá

TT

Hình thức và kết cấu ĐATN

Điểm đạt
đƣợc

30

Đ ng format với đ y đủ cả hình thức và nội dung của các mục

10

Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài

10

Tính cấp thiết của đề tài

10

Nội dung ĐATN

50

Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ thuật, khoa
học hội

5

Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá

10

Khả năng thiết kế, chế tạo một hệ thống, thành ph n, hoặc quy trình
đáp ứng yêu c u đưa ra với những ràng buộc thực tế.

15

Khả năng cải tiến và phát triển

15

Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, ph n mềm chuyên ngành

5

3.

Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề tài

10

4.

Sản phẩm cụ thể của ĐATN

10

Tổng điểm

100

7. Kết luận:
 Đƣợc phép bảo vệ
 Không đƣợc phép bảo vệ
TP.HCM, ngày

tháng 07 năm 2017

Giảng viên phản biện
((Ký, ghi rõ họ tên)


TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
**************************
XÁC NHẬN HỒN THÀNH ĐỒ ÁN
Tên đề tài:

Tính tốn thiết kế mơ hình xe hai bánh tự cân bằng theo phƣơng pháp con
quay hồi chuyển.
Họ và tên Sinh viên:

1. Võ Nhật Nam

MSSV: 13145166

2. Lê Văn Tạo

MSSV: 13145227

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

……………………………..

Giảng viên hƣớng dẫn: …………………………

…………………………........

Giảng viên phản biện: ……………………………

...……………………………

Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng… năm 2017


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, chúng em xin chân thành cảm ơn sự hƣớng dẫn tận tình của thầy
Vũ Đình Huấn bộ mơn Điện Tử Ơ tơ trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí
Minh.
Trong suốt thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp, mặc dù rất bận rộn trong công
việc nhƣng thầy vẫn giành rất nhiều thời gian và tâm huyết trong việc hƣớng dẫn

chúng em. Thầy đã hỗ trợ cho chúng em rất nhiều kiến thức và tài liệu khi chúng em
bắt đầu bƣớc vào thực hiện đồ án. Trong quá trình thực hiện đồ án thầy ln định
hƣớng, góp ý và sửa chữa chỗ sai, giúp chúng em không bị lạc lối trong biển kiến thức
mênh mông.
Đồ án tốt nghiệp của chúng em đã đƣợc hồn thành, cũng chính nhờ sự nhắc
nhở, đơn đốc, sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy, cũng nhƣ sự chỉ bảo, tạo điều kiện thuận
lợi về mặt tinh thần và tài liệu nghiên cứu. Bên cạnh đó là sự giúp đỡ của các thầy
trong bộ môn đã hỗ trợ để em có thể hồn thành tốt nhất luận văn của mình. Luận văn
đã hồn thành theo dự kiến. Tuy nhiên do khả năng còn nhiều hạn chế, thời gian thực
hiện có hạn và vì một số lý do khách quan khác nên chắc chắn khơng thể tránh khỏi
những sai sót. Rất mong nhận đƣợc sự thơng cảm và góp ý của các thầy trong bộ môn
và các bạn sinh viên.
Một lần nữa chúng em xin đƣợc bày tỏ lịng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới
quý thầy cô trong khoa, quý thầy cô bộ môn, đặc biệt là thầy giáo hƣớng dẫn Vũ Đình
Huấn đã giúp đỡ chúng em hồn thành tốt đồ án tốt nghiệp của mình.

TP.HCM, ngày

tháng 7 năm 2017

Sinh viên thực hiện
Võ Nhật Nam

Lê Văn Tạo

i


LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Nhằm nâng cao tính năng tiết kiệm năng lƣợng và những tác động tới môi trƣờng

xanh xung quanh, những phƣơng tiện giao thông hằng ngày cần phải đƣợc phát triển
với tính năng ít khí thải cac-bon. Xe hai bánh nhƣ 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 lƣợng, ma sát mặt đƣờng ít hơn
và giảm lực kéo. Hơn thế nữa, nhiều ngƣời sử dụng không muốn hoặc không thể vận
hành xe máy hoặc mơ-tơ bởi vì sự e ngại thời tiết, gió; những vấn đề an tồn 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 nƣớc 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 khơng nhỏ,
trong các ngun nhân thì kỹ năng giữ xe cân bằng không bị nghiêng ngã hoặc là
trƣợt, va chạm nhẹ khiến xe đỗ ngã.
Giải pháp để giảm thiểu tình trạng này, cho phép ngƣời lái xe khơng cần phải sử
dụng chân của mình q nhiều trong khi xe đang chạy ở tốc độ chậm hoặc là những
tác động khác nhƣ gió mạnh… Giải pháp nhắc tới đó là bổ sung thêm một bánh xe
nhỏ đê ổn định xe và đƣợc điều khiển điện tử, đây cũng là giải pháp giúp khắc phục
tối đa hiệu suất năng lƣợng cho toàn bộ xe.

ii


TĨM TẮT

TÍNH TỐN THIẾT KẾ MƠ HÌNH XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG THEO
PHƢƠNG PHÁP CON QUAY HỒI CHUYỂN
1. Tóm tắt
Hiện nay sự phát triển của xe cân bằng là vô cùng mạnh mẽ trong tƣơng lai loại
xe cân bằng sẽ dần thay thế các xe thông thƣờng để thành phƣơng tiện đi lại thơng
dụng vừa an tồn vừa tiện lợi. 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 góc xoay bánh đà.

Sau một thời gian nghiên cứu nhóm đã bƣớc đầu thành công trong việc nghiên
cứu và chế tạo nhóm đã thành cơng trong việc nghiên cứu và chế tạo xe cân bằng sử
dụng phƣơng pháp cân bằng điều khiển góc xoay bánh đà
2. Nội dung phƣơng pháp:
Phƣơng trình động lực học:
 Phƣơng trình động học chính:
  m b h b 2  mf h 2 f  I b  I r 
g(m b h b  mf h f )  I p   0

Thiết lập phƣơng 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  m f h 2 f  I b  I r 



0





I p 
B

 mb h b 2  mf h 2f  Ib  Ir  


C  1 0 ; D  0

iii


Từ các hệ số State space trên ta mô

Ta thu đƣợc đồ thị mơ phỏng điều khiển

phỏng lập trình trong matlab Simulink.

PID nhƣ dƣới.

Sơ đồ matlab

Đồ thị mô phỏng matlap Simulink với
PID

Kết quả thực nghiệm:

Góc nghiêng của xe so với góc nghiêng mong muốn

iii


Đồ thị thể hiện PID ứng với góc nghiêng của xe
Đánh giá:
Những hạn chế:
-

Xe chỉ đang đáp ứng trên phƣơng diện thăng bằng. Chƣa thể vừa di chuyển hay lái
vừa thằng bằng.

-

Xe cân bằng còn chƣa đƣợc ổn định.

-

Phạm vi góc cân bằng của xe nhỏ. Với góc nghiêng ban đầu của xe lớn thì bộ điều

khiển cịn chƣa đáp ứng đƣợc.
-

Các chi tiết thiết kế còn chƣa đạt chuẩn để đáp ứng những ý tƣởng ban đầu mong

muốn.
Hướng phát triển mơ hình:
-

Hồn thiện phần thiết kế chi tiết đạt yêu cầu, thiết kế thêm bộ nguồn riêng cho xe

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

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

-

Hƣớng phát triển đề lắp thêm một bánh đà giúp xe ổn định đƣợc tốt hơn.

iii


-

Hƣớng cho xe cân bằng có thể chạy tự động và né vật cản hay điều khiển từ xa

bằng bộ điển khiển…

iii


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... i
LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI ................................................................................................ ii
TÓM TẮT ..................................................................................................................... iii
MỤC LỤC .................................................................................................................... iv
DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ...................................... v
DANH MỤC CÁC HÌNH ...................................................................................... vi

DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................... vii
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ........................................................................................1
1.1 Đặt vấn đề .................................................................................................................1
1.2 Tình hình nghiên cứu và chế tạo xe cân bằng trong và ngoài nƣớc..........................1
1.3 Mục đích nghiên cứu .................................................................................................3
1.4 Đối tƣợng nghiên cứu................................................................................................3
1.5 Nhiệm vụ nghiên cứu ................................................................................................4
1.6 Phạm vi nghiên cứu ...................................................................................................4
1.7 Giả thuyết khoa học ..................................................................................................4
1.8 Phƣơng pháp nghiên cứu ...........................................................................................4
CHƢƠNG 2: NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT .................................................6
2.1 Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm các phƣơng pháp cân bằng xe bằng con quay
hồi chuyển .......................................................................................................................6
2.2 Cơ sở lý thuyết giao tiếp I2C ..................................................................................31
2.3 Cơ sở lý thuyết thuật toán PID ................................................................................32
CHƢƠNG 3: NỘI DUNG THỰC HIỆN ..................................................................38
3.1 Thiết kế mơ phỏng mơ hình hóa .............................................................................38
3.2 Dựng thiết kế 2D và 3D trên phần mềm SolidWork...............................................43
iv


3.3 Mơ hình thực tế .......................................................................................................47
3.4 Phƣơng pháp điều khiển .........................................................................................56
CHƢƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ .................................................................67
4.1 Những hạn chế ........................................................................................................67
4.2 Hƣớng phát triển mơ hình .......................................................................................67
4.3 Nhận định trong tƣơng lai .......................................................................................67
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..........................................................................................69
PHỤ LỤC ..................................................................................................................... 70

iv


DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
Analog

Tín hiệu kiểu liên tục

Bm

Hệ số nhớt động cơ DC

B

Lực hấp dẫn trung tâm xe đạp

CPU

Bộ xử lí trung tâm

D

Khâu vi phân

DDR3

Kiểu bộ nhớ ram

Digital

Tín hiệu số

DOF

Bậc tự do

F

Lực hấp dẫn trung tâm bánh đà

GA

Phƣơng 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 trƣờng phát triển tích hợp

Ip

Mơ men qn tính cực của bánh đà

Ir

Mơ men qn tính di qua tâm bánh đà

Ib

Mơ men qn tính của xe

MPU6050

Cảm biến góc nghiêng

Km

Mơ men xoắn

Ke

Mơ men xoắn

L

Trị số cuộn cảm

MASS

Khối lƣợng thêm vào

mb

Khối lƣợng xe đạp

mf

Khối lƣợng bánh đà PD

P

Khâu tỉ lệ

PSO

Phƣơng pháp điều khiển kiều PSO

PIO Mode

Kiểu vận chuyển dữ liệu

Qi

Tổng ngoại lực

R

Cuộn kháng của motor
v

SbRIO

Bo mạch chủ SbRIO

T

Tổng động năng của hệ thống

Tm

Mô men xoắn đƣợc tạo ra bởi động cơ

V:

Tổng năng lƣợng 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



Tốc độ góc bánh đà có




Góc nghiêng xe đạp



Vận tốc góc xe đạp

roll

Góc nghiêng xe

Góc nghiêng của bánh đà

v


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Bicycle Robot Murata Boy ...................................................................................2
Hình 1.2 Xe cân bằng của Litmotor ..................................................................................... 2
Hình 1.3 Xe cân bằng của PGS TS Bùi Trung Thành ......................................................... 3
Hình 2.1 Con quay hồi chuyển ............................................................................................ 6
Hình 2.2 Các lực tác động lên con quay ..............................................................................7
Hình 2.3 Mơ hình xe cân bằng dạng con quay hồi chuyển nằm ngang ............................. 10
Hình 2.4 Sơ đồ điều khyển.................................................................................................11

Hình 2.5 Mơ tả các lực tác động lên xe .............................................................................12
Hình 2.6 Mơ tả các lực tác động lên bánh đà ....................................................................13
Hình 2.7 Thơng số của xe ..................................................................................................15
Hình 2.8 Đồ thị đáp ứng bƣớc ........................................................................................... 15
Hình 2.9 Khả năng chống nhễu ......................................................................................... 16
Hình 2.10 So sánh PD và GA không sử dụng khối lƣợng .................................................17
Hình 2.11 So sánh PD và GA có sử dụng khối lƣợng ....................................................... 17
Hình 2.12 Mơ hình xe ........................................................................................................18
Hình 2.13 Bicycle robot khi đang ở trạng thái nghiêng ..................................................... 19
Hình 2.14 Bánh đà khi quay .............................................................................................. 20
Hình 2.15 Động lực học xe ................................................................................................ 21
Hình 2.16 Thơng số của xe ................................................................................................ 25
Hình 2.17 Phƣơng pháp điều khiển ................................................................................... 25
Hình 2.18 Thực nghiệm PID .............................................................................................. 26
Hình 2.19 P=37 D=0.04 .....................................................................................................27
Hình 2.20 P=42 D=0.04 .....................................................................................................27
Hình 2.21 P=47 D=0.04 .....................................................................................................27
Hình 2.22 Tóm tắt kết quả .................................................................................................28
Hình 2.23 Ảnh hƣởng chuyển động đến góc cuộn ............................................................ 29
Hình 2.24 Mơ tả chuyển động xe ....................................................................................... 29
Hình 2.25 Quan hệ giữa δ và a........................................................................................... 30
Hình 2.26 Đồ thị quan hệ giữa δ và a ................................................................................30
vi


Hình 2.27 Hiệu chỉnh góc nghiêng xe khi xe chuyển hƣớng.............................................31
Hình 2.28 Hai đƣờng truyền tín hiệu của I2C ...................................................................32
Hình 2.29 Sơ đồ thuật tốn PID ......................................................................................... 33
Hình 2.30 Sự thay đổi trong khâu tỉ lệ ...............................................................................34
Hình 2.31 Sự thay đổi trong khâu tích phân ......................................................................35

Hình 2.32 Sự thay đổi trong khâu vi phân .........................................................................36
Hình 3.1 Các lực tác động lên x ......................................................................................... 38
Hình 3.2 Các lực tác động lên xe ....................................................................................... 38
Hình 3.3 Mơ tả các lực tác động lên bánh đà ....................................................................39
Hình 3.4 Sơ đồ Matlab .......................................................................................................41
Hình 3.5 Đồ thị mơ phỏng matlap Simulink với PID ........................................................ 41
Hình 3.6 Mơ phỏng matlab ................................................................................................ 42
Hình 3.7 Kích thƣớc của bánh đà ...................................................................................... 43
Hình 3.8 Kích thƣớc của bánh đà ...................................................................................... 43
Hình 3.9 Hình dạng bánh ...................................................................................................44
Hình 3.10 Cụm lắp ghép bánh ........................................................................................... 44
Hình 3.11 Cụm lắp ghép bánh đà ...................................................................................... 45
Hình 3.12 Khung xe thiết kế theo thơng số bánh đà .......................................................... 46
Hình 3.13 Khung xe thiết kế hồn chỉnh ...........................................................................46
Hình 3.14 Hình ảnh thực tế của xe .................................................................................... 47
Hình 3.15 Động cơ dẫn động bánh đà ...............................................................................47
Hình 3.16 Động cơ xe đạp điện (động cơ dẫn động bánh đà) ...........................................48
Hình 3.17 Bản vẽ kỹ thuật của động cơ .............................................................................48
Hình 3.18 Động cơ và bộ truyền động cho góc xoay bánh đà ...........................................49
Hình 3.19 Bộ bánh răng truyền động .................................................................................50
Hình 3.20 Mạch khuếch đại của Encoder quang quay ...................................................... 50
Hình 3.21 Cảm biến vị trí góc nghiêng của bánh đà ......................................................... 51
Hình 3.22 Sơ đồ GY-521 chip MPU6050 .........................................................................52
Hình 3.23 Bộ điều khiển trung tâm kết hợp cảm biến góc nghiêng của xe ....................... 53
Hình 3.24 Arduino Uno R3 ................................................................................................ 53
vi


Hình 3.25 Cầu H – BTS7960 43A ..................................................................................... 55
Hình 3.26 Lƣu đồ tín hiệu điều khiển bánh đà ..................................................................58

Hình 3.27 Lƣu đồ thuật toán điều khiển bánh đà dựa trên nguyên lý PID ........................ 58
Hình 3.28 Sơ đồ kết nối chân giữa cảm biến MPU 6050 và Arduino Uno R3 .................59
Hình 3.29 Tín hiệu khi cảm biến ở vị trí cần bằng và động cơ dẫn động bánh đà đƣợc
khởi động ........................................................................................................................... 60
Hình 3.30 Tín hiệu khi thay đổi góc nghiêng của xe ......................................................... 60
Hình 3.31 Lƣu đồ thiết lập góc đặt mong muốn cho bộ điều khiển PID .......................... 62
Hình 3.32 Lƣu đồ tính tốn tốc độ góc xoay bánh đà ........................................................ 63
Hình 3.33 Lƣu đồ điều khiển động cơ điều khiển góc xoay bánh đà ................................ 64
Hình 3.34 Đồ thị thể hiện góc nghiêng của xe so với góc nghiêng mong muốn ...............65
Hình 3.35 Đồ thị thể hiện PID ứng với góc nghiêng của xe ..............................................65

vi


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1 Thông số xe ........................................................................................................42
Bảng 3.2 Cấu tạo của cụm bánh đà .................................................................................... 45
Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật của động cơ: .........................................................................48
Bảng 3.4 Thông số của động cơ: ....................................................................................... 49
Bảng 3.5 Thông số của Arduino Uno R3...........................................................................54
Bảng 3.6 Thông số kỹ thuật: .............................................................................................. 55
Bảng 3.7 Sơ đồ kết nối chân giữa cảm biến MPU 6050 và Arduino Uno R3 ................... 59
Bảng 3.8 Sơ đồ nối chân giữa cảm biến Encoder và Arduino Uno R3 ............................. 61

vii


vii

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Đặt vấn đề:
Nghiên cứu xe 2 bánh cân bằng đã có từ rất lâu trƣớc 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 đƣợc 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 sƣ và là thành viên gia đình hồng gia Nga. Từ đó cho đến
nay “GYROCAR” ln đƣợc 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 tƣơng lai gần.
Nhận thấy nghiên cứu xe cân bằng là một đề tài thực tiễn nhiều tiềm năng và là xu
hƣớng mới trong nghiên cứu và thiết kế xe với mong muốn nghiên cứu và chế tạo một
mô hình xe hai bánh cân bằng nhóm chúng em đã bắt tay nghiên cứu lý thuyêt và thực
hiện một mô hình xe cân bằng trên nền tảng adruino nhằm tìm hiểu về xe cân bằng.
1.2 Tình hình nghiên cứu và chế tạo xe cân bằng trong và ngoài nƣớc:
1.2.1 Ngoài nƣớc:
Trong những năm gần đây, nghiên cứu về xe hai bánh tự cân bằng đã đƣợc 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 đƣợc ứng
dụng để điều khiển cho robot đi bằng hai chân, nhƣ robot ASIMO vì nguyên tắc điều
khiển cân bằng là nhƣ nhau. Có nhiều nghiên cứu về điều khiển cân bằng xe hai bánh, ví
dụ nhƣ robot Murata Boy đƣợc phát triển tại Nhật bản năm 2005.

1


.
Hình 1.1 Bicycle Robot Murata Boy
Một số phƣơng pháp đƣợc sử dụng để điều khiển cân bằng cho xe hai bánh là cân
bằng nhờ sử dụng bánh đà nhƣ 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 hƣớng tâm của Tanaka và Murakami năm 2004.
Trong số các phƣơng pháp đó, cân bằng nhờ sử dụng bánh đà có ƣu 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 đƣợc thƣơng mại đầu tiên trong triển lãm CES2014.

Hình 1.2 Xe cân bằng của Litmotor

2