XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG DI CHUYỂN TRÊN ĐỊA HÌNH PHẲNG
Mô hình là một chiếc xe có hai bánh được đặt dọc trục với nhau (khác với xe đạp là trục của hai bánh xe song song). Trên mô hình sử dụng các cảm biển để đo góc nghiêng của thân xe, vận tốc quay của sàn xe quanh trục bánh và vận tốc di chuyển của xe so với mặt đất.
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG
DI CHUYỂN
TRÊN ĐỊA HÌNH PHẲNG
MÃ NGÀNH: 128
SVTH :MAI TUẤN ĐẠT
CBHD :KS. VÕ TƯỜNG QUÂN
CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO KỸ SƯ CHẤT LƯỢNG CAO
KHÓA 2: 2000 – 2005
TP. HỒ CHÍ MINH, 07/2005
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG
DI CHUYỂN
TRÊN ĐỊA HÌNH PHẲNG
MÃ NGÀNH:128
SVTH :MAI TUẤN ĐẠT
MSSV :P0000016
CBHD :KS. VÕ TƯỜNG QUÂN
CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO KỸ SƯ CHẤT LƯỢNG CAO
KHÓA 2: 2000 – 2005
TP. HỒ CHÍ MINH, 07/2005
Lôøi caûm ôn
Tôi không thể theo đuổi và hoàn thành đề tài của luận văn trong
vòng 16 tuần nếu không có sự giúp đỡ của những người thân và người
bạn xung quanh. Do vậy, với sự trân trọng và cảm kích, tôi xin gửi lời
cảm ơn đến ông bà và cha mẹ, những người thân trong gia đình hết
lòng chăm sóc, an ủi khi gặp trở ngại và động viên tôi trong thời gian
thực hiện luận văn, xin cảm ơn TS. Nguyễn Văn Giáp và giáo viên trực
tiếp hướng dẫn luận văn, thầy Võ Tường Quân đã cho phép tôi theo
đuổi đề tài và cho những lời khuyên xác đáng, kịp thời những lúc gặp
khó khăn khi thực hiện trong suốt quá trình làm luận văn tốt nghiệp đại
học. Ngoài ra, tôi cũng xin chân thành cảm ơn anh Quân và anh Kiên ở
công ty máy tính Bách Khoa đã hỗ trợ một phần kinh phí và thiết bị để
thực hiện đề tài; cảm ơn người anh – Th.S Trần Công Binh, giảng viên
bộ môn Thiết bị Điện – nhiệt tình giúp đỡ về mặt lý thuyết để hoàn
thành phần điện động cơ công suất cao, một phần khá hóc búa của đề
tài. Ngoài ra, cũng xin cảm ơn Thy và Tâm, hai người bạn thân thiết
nhất đã giúp tôi hoàn thành bản thuyết minh mà chúng ta đang có trên
tay.
Cuối cùng em xin cảm ơn tất cả quý Thầy Cô tham gia giảng
dạy chương trình Kỹ sư chất lượng cao Việt Pháp khóa 2000-2005,
và Khoa Cơ Khí, bộ môn Cơ Điện tử, Trường Đại Học Bách Khoa
TP.HCM đã trang bị cho em những kiến thức cơ sở cũng như đã giúp
đỡ tôi trong thời gian làm Luận văn tốt nghiệp.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 03 tháng 07 năm 2005
Mai Tuấn Đạt
SVTH: Mai Tuấn Đạt
MUÏC LUÏC
Lời cảm ơn
Mục lục .......................................................................................................................... i
Tóm tắt đề tài............................................................................................................... iv
Abstract..........................................................................................................................v
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN........................................................................................1
1.1 Lời nói đầu ........................................................................................................1
1.2 Thế nào là xe hai bánh tự cân bằng (two wheels self balancing) .................2
1.3 Tại sao phải thiết kế xe hai bánh tự cân bằng ...............................................3
1.4 Ưu nhược điểm của xe hai bánh tự cân bằng ................................................4
1.4.1 Ưu điểm của xe scooter tự cân bằng trên hai bánh...................................4
1.4.2 Nhược điểm của xe.....................................................................................4
1.5 Khả năng ứng dụng ..........................................................................................5
1.6 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước....................................................5
1.6.1 Một số dạng xe hai bánh tự cân bằng dùng trên robot .............................5
1.6.2 Một số dạng scooter hai bánh tự cân bằng ...............................................9
1.7 Nhu cầu thực tế ...............................................................................................14
CHƯƠNG 2 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN...................................................................15
2.1 Mục tiêu đề tài.................................................................................................15
2.2 Phương pháp nghiên cứu ...............................................................................15
CHƯƠNG 3 LÝ THUYẾT TIẾP CẬN ....................................................................17
3.1 Phương pháp tính động lực học ....................................................................17
3.2 Thuật toán điều khiển - Kỹ thuật điều khiển hiện đại ................................24
3.3 Các phương pháp xử lý tín hiệu từ cảm biến...............................................29
3.3.1 Lọc bổ phụ thông tần (complementaty filter) ..........................................29
3.3.2 Lọc thích nghi - Bộ lọc Kalman ...............................................................32
3.3.3 So sánh các bộ lọc với bộ lọc Kalman.....................................................40
3.4 Mô hinh lý thuyết động cơ DC ......................................................................43
CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG .................................................................45
4.1 Các thông số trong mô hình mô phỏng được xây dựng ..............................45
i
SVTH: Mai Tuấn Đạt
4.2 Mô phỏng MatLAB ........................................................................................46
4.2.1 Giới thiệu về phần mềm MatLAB, công cụ Simulink...............................46
4.2.2 Kết quả tính bằng MatLAB ......................................................................46
4.3 Mô phỏng VisualNastran và Simulink .........................................................48
4.3.1 Giới thiệu về phần mềm VisualNastran...................................................48
4.3.2 Cách thực hiện mô phỏng bằng vN Desktop 4D......................................49
4.3.4 Kết quả mô phỏng ....................................................................................50
CHƯƠNG 5 THỰC HIỆN ........................................................................................54
5.1 Thiết kế cơ khí.................................................................................................54
5.1.1 Tóm tắt thiết kế ........................................................................................54
5.1.2 Tính toán sức bền.....................................................................................54
5.2 Mạch điện tử ...................................................................................................59
5.2.1 Nguồn điện ...............................................................................................60
5.2.2 Mạch công suất điều khiển động cơ ........................................................61
5.2.2.1 Bộ đệm (MOSFET driver) ................................................................61
5.2.2.2 MOSFET công suất – mắc bổ phụ ....................................................63
5.2.2.3 Mạch Snubber ...................................................................................66
5.2.2.4 MOSFET thắng .................................................................................66
5.2.3 Cảm biến ..................................................................................................66
5.2.3.1 Thiết bị đo góc gyro Murata ENC-03 ...............................................67
5.2.3.2 ADXL202A .......................................................................................68
5.2.3.3 Cảm biến đo vị trí- encoder...............................................................73
5.2.3.4 Cảm biến đo dòng hồi tiếp (Điện trở shunt)......................................75
5.2.4 Bộ xử lý trung tâm - vi điều khiển PIC 18F452.......................................76
5.2.4.1 Các khả năng của vi điều khiển Microchip PIC 18F452: .................76
5.2.4.2 Mạch điều khiển trung tâm................................................................79
5.2.5 Bảng điều khiển và hiển thị......................................................................80
5.2.6 Động cơ....................................................................................................80
5.2.7 Hình chụp các mạch điện tử ....................................................................85
5.3 Giải thuật - Lưu đồ chương trình .................................................................88
5.3.1 Chương trình chính..................................................................................88
5.3.2 Chương trình ngắt....................................................................................89
5.3.3 Cập nhật encoder.....................................................................................91
5.3.4 Điều khiển động cơ ..................................................................................92
5.4 Kết quả.............................................................................................................94
CHƯƠNG 6 CÁCH VẬN HÀNH ..........................................................................95
6.1 Cách sử dụng...................................................................................................95
6.2 Bảo dưỡng........................................................................................................97
CHƯƠNG 7 KẾT LUẬN.........................................................................................98
ii
SVTH: Mai Tuấn Đạt
7.1 Những kết quả đạt được ................................................................................98
7.2 Những kết quả chưa đạt được .......................................................................98
7.3 Những vấn đề chưa giải quyết .......................................................................99
7.4 Hướng phát triển ............................................................................................99
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................100
PHỤ LỤC .................................................................................................................102
1. GIỚI THIỆU PHẦN MỀM VISUALNASTRAN ...........................................102
2. LỌC THÍCH NGHI – BỘ LỌC KALMAN ....................................................105
3. GYRO MURATA ENC-03..............................................................................118
4. CẢM BIẾN GIA TỐC ACCELEROMETER ADXL202 ...............................122
5. CHUẨN TRỰC CÁC CẢM BIẾN ĐO GÓC..................................................128
6. TÍNH NĂNG VI ĐIỀU KHIỂN PIC 18FXX2 ................................................131
iii
SVTH: Mai Tuấn Đạt
TÓM TẮT ĐỀ TÀI
Đề tài này có thể xem là một cầu nối kinh nghiệm từ mô hình thăng bằng con
lắc ngược đến việc nghiên cứu và chế tạo các loại robot hai chân và robot người
(humanoid robot) trong tương lai. Mục tiêu của đề tài là thiết kế và chế tạo một xe
hai bánh tự cân bằng, dựa trên lý thuyết cân bằng con lắc ngược. Không giống như
các xe scooter hay xe 2 bánh thông thường có hai bánh xe nằm trước sau, xe scooter
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 thường chỉ có thể đi
bộ.
Đề tài này được quan tâm từ việc tính toán các thông số đầu vào và ra, dựa trên
đó để xây dựng các mô phỏng, đến việc thiết kế mô hình, thực hiện phần điện tử và
điều khiển, viết các chương trình điều khiển với mục đích cuối cùng là tạo ra một mô
hình xe di chuyển cân bằng trên hai bánh xe đồng trục được 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 dưới trọng tâm của xe khi đứng yên, và tạo
một sai số nhỏ về góc nghiêng của thân xe với nền khi muốn xe chuyển động.
Sư cân bằng được tính toán và mô phỏng bằng 2 phần mềm MatLAB-
SIMULINK và Visual Nastran, để chứng minh rằng hoàn toàn có khả năng để điều
khiển một mô hình xe tự cân bằng chỉ 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 được tích hợp trong mỗi bánh
xe đạp điện 400 mm phổ biến trong thời gian gần đây tại Việt Nam, bo mạch sử dụng
bộ điều khiển trung tâm PIC18Fxxx của hãng Microchip để điều khiển những mạch
khuếch đại công suất, lái công suất (MOSFET driver) cho những động cơ, điều khiển
những cảm biến cần thiết để đo các giá trị góc và quãng đường đi. Các tín hiệu đo
góc từ hai cảm biến accelerometer và gyro được thông qua một bộ lọc Kalman được
lập trình trên vi điều khiển PIC để có các thông số đo góc chính xác. Bảng điện kiểm
soát và hiển thị chức năng hoạt động của xe. Bình điện được lắp dưới sàn xe bằng
nhôm để cung cấp toàn bộ năng lượng cho xe hoạt động.
iv
SVTH: Mai Tuấn Đạt
ABSTRACT
This project can be an useful experiment to the research and manufacture in
balancing robot and humanoid robot in future. The main purposes of my project are
designing and manufacturing a self-balancing scooter, based on the theory of the
balancing inverted pendulum. It is unlike the popular scooter or bicycle, which have
two wheels being in a same surface (the wheel’s axes are parallel). Its parallel wheels
configuration make it compact enough to be maneuvered through most pedestrian
spaces that accommodate wheelchairs.
Calculating parameters of the model to construct the simulation, designing the
model, making electronic boards and controller, and programming the
microcontroller are the missions in the project, to reach the main goal of building a
scooter that could balance in its two coaxial wheels driven by two intergrated motors.
The method analysing the auto-balancing scooter’s dynamic is roughly based on
Newton’s laws and mechanics of solid. To keep the scooter remains balanced when
scooter don’t move, it must drive the wheels staying under the scooter’s gravity, and
making a small error in tilt angle (angle of the chassis with respect to the ground)
when the scooter moves.
The balance of scooter is also calculated and simulated by MatLAB-
SIMULINK and Visual Nastran, to show that it is clearly possible to control such a
system using an electric motor mounted on each of the two wheels.
The self-balancing scooter is structured of a chassis carrying two wheels
coupled a DC motors for each. The wheel which is used in my final project is a
wheel of electric bicycle (400 mm of diameter), lately popular in Viet Nam.
PIC18Fxxx, a micro-controller of Microchip’s family is used to implement as the
main controller of scooter’s system, manages the works of the electric power
amplifiers, MOSFET driver for the motors and of the necessary sensors to measure
the vehicle’s states. To have the exact information of angle received from the noisy
accelerometer and piezo-electric gyro, a discrete Kalman filter is implemented in PIC
microcontroller. A control board is used to display the state of sensors, operation of
scooter and to control the speed and steering. Batteries are bolted under the chassis
of scooter, supply electric energies for scooter’s operation.
v
SVTH: Mai Tuấn Đạt Chương 1 Tổng quan
Chương 1
TỔNG QUAN
1.1 Lời nói đầu
Bài luận văn xuất phát từ ý tưởng đã được thương mại hóa của công ty Segway:
kết hợp ý tưởng về cách giữ thăng bằng của con người trên đôi chân và độ cơ động
trong di chuyển của các loại xe di chuyển bằng bánh. Thông qua bài nghiên cứu, ta có
thể phần nào nắm bắt những ý tưởng giữ thăng bằng cho các loại humanoid robot
(robot dạng người), cách phối hợp và xử lý tín hiệu tốt nhất từ cảm biến. Tuy vậy, giá
thành của sản phẩm Segway không rẻ (khoảng 5000USD/xe) do chi phí rất cao từ các
cảm biến đã được tích hợp và xử lý với độ chính xác và tin cậy cao (khoảng
900USD/bộ). Do vậy, chúng ta sẽ tìm cách 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 được các tín
hiệu tinh khiết và chính xác như mong muốn với giá thành không cao.
Mô hình là một chiếc xe có hai bánh được đặt dọc trục với nhau (khác với xe đạp
là trục của hai bánh xe song song). Trên mô hình sử dụng các 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 so với mặt đất. Nhờ các cảm biến này, xe sẽ có thể tự giữ thăng bằng và
di chuyển. Với cấu trúc này, trọng tâm của mô hình phải luôn nằm trong vùng đỡ của
bánh xe (supporting area) để có thể thăng bằng khi di chuyển ở mọi bề mặt từ đơn giản
đến phức tạp.
Trong hệ thống các cảm biến, để loại trừ các tín hiệu nhiễu từ hệ thống và nhiễu
từ tín hiệu đo, sai số của ngõ ra, đồng thời có thể ước lượng chính xác giá trị đo trong
tương lai của cảm biến cũng như kết hợp các tín hiệu, bộ lọc Kalman được nghiên cứu
và sử dụng nhằm cho một kết quả tối ưu về tình trạng của xe gồm góc nghiêng, vận tốc
quay của xe từ mô hình và các cảm biến thành phần. Nói cách khác, hệ thống xử lý tín
hiệu và lọc Kalman là công cụ để biến các cảm biến đơn giản, giá rẻ thành tập hợp
cảm biến có giá trị trong hệ thống. Từ các tín hiệu đo, thông qua một số đại lượng đặc
trưng của mô hình (khối lượng, chiều dài, chiều cao vật, đường kính bánh…) ta sẽ tính
được momen quán tính nghiêng (lật của mô hình), từ đó đưa 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.
Toàn bộ mô hình được điều khiển bằng một vi điều khiển PIC 18F452. Đây là
thế hệ tương đối cao cấp của họ PIC có thể xử lý và thực thi chương trình ở tốc độ cao
(đạt đến 10MIPs) trong việc tính toán các giá trị cảm biến và đưa ra bộ truyền động
(động cơ điện). Bộ vi điều khiển đóng vai trò thứ nhất trong đề tài như một bộ lọc
Kalman với tín hiệu vào từ thiết bị inclinometer và gyro. Với các dữ liệu về góc đã xử
Trang 1
SVTH: Mai Tuấn Đạt Chương 1 Tổng quan
lý và tín hiệu hồi tiếp về vị trí đo encoder đưa về (incremental encoder), vai trò thứ hai
của vi điều khiển trong đề tài sẽ tính toán và đưa ra tín hiệu điều khiển bộ truyền động,
đến bánh xe để giữ thăng bằng/di chuyển, đi thẳng, quay, quẹo.
Đây là một phương tiện vận chuyển mới tại các thành phố trong tương lai với
nhiều ưu điểm: gọn, nhẹ, ít chiếm diện tích đường phố, dễ mang vác, tháo lắp và vận
chuyển, nhiên liệu sạch, dễ điều khiển cho người lớn và trẻ em, đi được trên một số địa
hình phức tạp.
1.2 Thế nào là xe hai bánh tự cân bằng (two wheels self balancing)
Cân bằng Bị nghiêng
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 như 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 (bao gồm cả người
sử dụng chúng) cần được giữ nằm ngay giữa các bánh xe. Điều này giống như ta giữ
một cây gậy dựng thẳng đứng cân bằng trong lòng bàn tay.
Thực ra, trọng tâm của toàn bộ scooter không được biết nằm ở vị trí nào, cũng
không có cách nào tìm ra nó, và có thể không có khả năng di chuyển bánh xe đủ nhanh
để giữ nó luôn ở dưới toàn bộ trọng tâm.
Về mặt kỹ thuật, góc giữa sàn scooter và chiều trọng lực có thể biết được. Do
vậy, thay vì tìm cách xác định trọng tâm nằm giữa các bánh xe, tay lái cần được giữ
thẳng đứng, vuông góc với sàn xe (góc cân bằng khi ấy là zero).
Hình 1.2 Mô tả cách bắt đầu di chuyển
Trang 2
SVTH: Mai Tuấn Đạt Chương 1 Tổng quan
Nếu tay lái được đẩy hơi nghiêng tới trước, scooter sẽ chạy tới trước và khi nó
được đẩy nghiêng ra sau, scooter sẽ chạy lùi. Đây là một phân tích lý tính. Hầu hết mọi
người đều có thể kiểm soát tay lái trong vòng vài giây để giữ lấy nó.
Để dừng lại, chỉ cần kéo trọng tâm xe nghiêng ngược hướng đang di chuyển thì
tốc độ xe giảm xuống. Do tốc độ cảm nhận và phản ứng thăng bằng của mỗi người là
khác nhau, nên xe scooter hai bánh tự cân bằng chỉ được thiết kế cho một người sử
dụng.
1.3 Tại sao phải thiết kế xe hai bánh tự cân bằng
Những mobile robot xây dựng hầu hết robot là những robot di chuyển bằng ba
bánh xe, với hai bánh lái được lắp ráp đồng trục, và một bánh đuôi nhỏ. Có nhiều kiểu
khác nhau, nhưng đây là kiểu thông dụng nhất. Còn đối với các xe 4 bánh, thường một
đầu xe có hai bánh truyền động và đầu xe còn
lại được gắn một hoặc hai bánh lái.
Việc thiết kế ba hay bốn bánh làm cho
xe/mobile robot được thăng bằng ổn định nhờ
trọng lượng của nó được chia cho hai bánh lái
chính và bánh đuôi, hay bất kỳ cái gì khác để
đỡ trọng lượng của xe. Nếu trọng lượng được
đặt nhiều vào bánh lái thì xe/robot sẽ không ổn
định dễ bị ngã, còn nếu đặt nhiều vào bánh
đuôi thì hai bánh chính sẽ mất khả năng bám.
Nhiều thiết kế xe/robot có thể di chuyển tốt
trên địa hình phẳng, nhưng không thể di
chuyển lên xuống trên địa hình lồi lõm (mặt
phẳng nghiêng). Khi di chuyển lên đồi, trọng
lượng xe/robot dồn vào đuôi xe làm bánh lái
mất khả năng bám và trượt ngã, đối với những
bậc thang, thậm chí nó dừng hoạt động và chỉ
quay tròn bánh xe.
Khi di chuyển xuống đồi, sự việc còn tệ
hơn, trọng tâm thay đổi về phía trước và thậm
chí làm xe/robot bị lật úp khi di chuyển trên
bậc thang. Hầu hết những xe/robot này có thể
leo lên những dốc ít hơn là khi chúng di
chuyển xuống, bị lật úp khi độ dốc chỉ 15o hay Hình 1.3 Trạng thái xe ba bánh khi di
20o. Việc bố trí bốn bánh xe, giống như xe hơi chuyển trên địa hình bằng phẳng, dốc [16]
đồ chơi hay các loại xe bốn bánh hiện đang sử
dụng trong giao thông không gặp vấn đề nhưng điều này sẽ làm các mobile robot
không gọn gàng và thiết kế bộ phận lái (cua quẹo) gặp một chút phiền toái để có thể
xác định chính xác quãng đường đã đi [16].
Ngược lại, các xe dạng hai bánh đồng trục lại thăng bằng rất linh động khi di
chuyển trên địa hình phức tạp, mặc dù bản thân là một hệ thống không ổn định. Khi nó
leo sườn dốc, nó tự động nghiêng ra trước và giữ cho trọng lượng dồn về hai bánh lái
Trang 3
SVTH: Mai Tuấn Đạt Chương 1 Tổng quan
chính. Tương tự vậy, khi bước xuống dốc, nó nghiêng ra sau và giữ trọng tâm rơi vào
các bánh lái. Chính vì vậy, không bao giờ có hiện tượng trọng tâm của xe rơi ra ngoài
vùng đỡ của các bánh xe để có thể gây ra sự lật úp.
Hình 1.4 Trạng thái xe hai bánh đồng trục khi di chuyển trên địa hình bằng phẳng, dốc[16]
Đối với những địa hình lồi lõm và những ứng dụng thực tế, sự thăng bằng của xe
hai bánh có thể sẽ mang lại nhiều ý nghĩa thực tiễn trong giới hạn ổn định hơn là đối
với xe ba bánh truyền thống.
1.4 Ưu nhược điểm của xe hai bánh tự cân bằng
1.4.1 Ưu điểm của xe scooter tự cân bằng trên hai bánh
− Không ô nhiễm, sử dụng bình điện, và có thể sạc điện.
− Sử dụng không gian hiệu quả, đa năng (sử dụng trong nhà và ngoài phố).
− Dễ dàng lái xuống đường, dừng lại và trò chuyện với bạn bè. Scooter tự cân
bằng này khác hẳn với các loại xe đạp hay xe đẩy bình thường, 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 người) nên nó không gây tắt nghẽn giao
thông như các loại xe bốn bánh. Như một phương tiện vận chuyển trên vỉa
hè, nó cho phép di chuyển trong nơi đông đúc, và hoàn toàn có thể đi trên
lòng đường.
− Giá thành thấp hơn so với xe hơi.
− Cuốn hút người sử dụng cũng như mọi người xung quanh vì hình dáng kỳ lạ
của nó, phá vỡ các hình ảnh thường thấy về các phương tiện giao thông của
con người.
Trang 4
SVTH: Mai Tuấn Đạt Chương 1 Tổng quan
1.4.2 Nhược điểm của xe
− Không thể thư 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. Do luôn
giữ tư thế thẳng đứng để trọng lượng cơ thể đặt ở trọng tâm và đôi lúc gặp
những đoạn đường xấu khiến cơ thể người điều khiển mệt mỏi.
− Không thể làm các việc khác khi đứng trên scooter này, chẳng hạn vừa đi
vừa nghe điện thoại, hoặc vừa uống nước.
− Scooter không đủ nhanh để đi đường trường và không đủ an toàn để lên
xuống lề đường.
− Không thể vận chuyển hai người trên cùng một xe. Việc này không thành
vấn đề khi xe tự cân bằng đóng vai trò một platform của mobile robot, vì
khối lượng tải là tĩnh.
− Không thể leo bậc thang có chiều cao quá ½ bán kính bánh xe.
1.5 Khả năng ứng dụng
Xây dựng được một phương tiện vận chuyển mới trong khu vực chật hẹp có thể
di chuyển ngay trong các chung cư tòa nhà cao tầng, dùng trợ giúp di chuyển cho
người già, và trẻ em vận chuyển.
Làm phương tiện vận chuyển hàng hoá đến những nơi đã được 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 humanoid robot, nếu được kết hợp với các robot
camera, robot dò đường, robot lái mặt đường 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).
1.6 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Hiện nay chưa có thông tin cụ thể nào về
việc chế tạo xe hai bánh tự cân bằng dùng trên
robot cũng như xe hai bánh tự cân bằng ở Việt
Nam. Nhưng trên thế giới, ở một vài nước, các kỹ
thuật viên và một số sinh viên đã nghiên cứu và
cho ra đời các dạng xe hai bánh như thế. Dưới đây
là một số thông tin về chúng.
1.6.1 Một số dạng xe hai bánh tự cân
bằng dùng trên robot
1.6.1.1 nBot[16]
nBot do David P. Anderson sáng chế. nBot
được lấy ý tưởng để cân bằng như sau: các bánh
xe sẽ phải chạy xe theo hướng mà phần trên robot
sắp ngã. Nếu bánh xe có thể được lái theo cách
Hình 1.5 nBot
Trang 5
SVTH: Mai Tuấn Đạt Chương 1 Tổng quan
đứng vững theo trọng tâm robot, robot sẽ vẫn được giữ cân bằng. Trong thực tế, điều
này đòi hỏi hai cảm biến thông tin phản hồi: cảm biến góc nghiêng để đo góc nghiêng
của robot với trọng lực, và encoder trên bánh xe để đo vị trí cơ bản của robot. Bốn
thông số ngõ vào để xác định hoạt động và vị trí của xe con lắc ngược cân bằng là:
1) góc nghiêng.
2) đạo hàm của góc nghiêng, vận tốc góc.
3) vị trí bánh xe.
4) đạo hàm vị trí bánh, vận tốc bánh xe.
Bốn giá trị đo lường được cộng lại và phản hồi tới điện áp động cơ, tương ứng
với momen quay, cân bằng, và bộ phận lái robot.
1.6.1.2 Balance bot I [28]
Balance-bot I (do Sanghyuk, Hàn Quốc thực hiện) là
một robot hai bánh tự cân bằng bằng cách kiểm soát thông
tin phản hồi. Hệ thống cao 50cm. Khung chính được làm
bằng nhôm. Nó có hai trục bánh xe nối với hộp giảm tốc và
động cơ DC cho sự phát động. Tổng cộng có ba bộ vi xử lý
Atmel được sử dụng. Vi điều khiển chính (master) thi hành
những nguyên lý kiểm soát và thuật toán ước lượng. Một vi
điều khiển khác kiểm soát tất cả cảm biến analog. Vi điều
khiển thứ ba điều khiển động cơ DC.
Linear quadratic regulator (LQR) được thiết kế và thực
thi mạch điều khiển. Nó có bốn giá trị khác nhau – góc
nghiêng, vận tốc góc nghiêng, góc quay bánh xe, và vận tốc
góc quay, sau đó nó tạo lệnh cho động cơ DC để điều chỉnh Hình 1.6 Balance-bot
tốc độ bánh xe.
1.6.1.3 Balancing robot (Bbot[26])
Vào năm 2003, Jack Wu và Jim Bai là
những sinh viên trường Đại học Carnegie
Mellon dưới sự trợ giúp của GS. Chris
Atkeson đã thực hiện đề tài robot hai bánh
tự cân bằng như luận văn tốt nghiệp. Robot
này có thể xác định vị trí hướng của nó đối
với môi trường và lái động cơ theo hướng
này.
Để đo góc nghiêng của robot, các sinh
viên này đã sử dụng hệ thống đo lường góc
2DOF được tích hợp sẵn của hãng
Rotomotion. Hệ thống này gồm gia tốc kế Hình 1.7 Balancing robot
Trang 6
SVTH: Mai Tuấn Đạt Chương 1 Tổng quan
ADXL202 và mạch con quay hồi chuyển. Vi mạch điều khiển dùng trên robot này là
BasicX 24, có nhiều tính năng khác nhau. Nó được dùng như bộ điều khiển động cơ,
COM1 được nối với Pocket PC và COM3 thì nối với bộ điều khiển servo Mini SSC
12. Nó còn được sử dụng như CPU chính cho việc điều khiển thăng bằng cho robot.
1.6.1.4 JOE [18]
Phòng thí nghiệm điện tử công nghiệp của Viện Công nghệ Federal, Lausanne,
Thụy Sĩ, đã tạo ra cuộc cách mạng đầu tiên khi xây dựng mô hình xe hai bánh. Robot
JOE 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 khả năng 1,8Ah.
Hình dạng của nó gồm hai bánh xe trục, mỗi
bánh gắn với một động cơ DC, chiếc xe này có thể
chuyển động xoay theo hình U. Hệ thống điều
khiển được lắp từ hai bộ điều khiển state-space
tách rời nhau, kiểm soát động cơ để giữ cân bằng
cho hệ thống. Những thông tin về trạng thái của
JOE được cung cấp bởi hai encoder quang và vận
tốc của con quay hồi chuyển.
JOE được điều khiển bởi một bộ điều khiển
từ xa R/C thường được sử dụng để điều khiển các
máy bay mô hình. Bộ điều khiển trung tâm và xử
lý tín hiệu là một board xử lý tín hiệu số (DSP)
được phát triển bởi chính nhóm và của viện
Federal, có khả năng xử lý dấu chấm động
(SHARC floating point), FPGA XILINC, 12 bộ
Hình 1.8 Hình chụp JOE
biến đổi A/D 12bit và 4 bộ biến đổi D/A 10bit.
1.6.1.5 Equibot [27]
Equibot là robot cân bằng do Dan Piponi thực
hiện. Cơ bản nó dựa vào vi điều khiển ATMega32
RISC.
Cả hai servo Hitec HS-311 chuẩn được sửa đổi
cho xoay vòng 360o và nguồn điện vào được nối trực
tiếp với các động cơ để PWM kiểm soát chúng. Một
trong hai servo được gắn với bộ điều khiển tứ cực
LQR, đó là phần phức tạp nhất trong cấu trúc robot,
bánh còn lại bắt chước tốc độ của bánh thứ nhất.
Equibot chỉ có một loại cảm biến hồng ngoại Sharp
thay cho cảm biến về góc. Nó được đặt thấp để đo
khoảng cách với sàn. Ngõ ra từ thiết bị được dùng để
Hình 1.9 Equibot
xác định hướng robot di chuyển.
Trang 7
SVTH: Mai Tuấn Đạt Chương 1 Tổng quan
1.6.1.6 BaliBot [29]
Balibot, 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 hướng mà nó sắp ngã, các bánh xe sẽ di chuyển
về phía ngã và thẳng góc với chính nó.
Hình 1.10 Balibot Hình 1.11 Các tầng mạch, gồm
nguồn, vi điều khiển và cảm biến
Cảm biến góc nghiêng để đo góc nghiêng của robot, gia tốc kế Motorola
MMA2260 được sử dụng, thiết bị có cấu trúc MEMS.
PIC16F876 của hãng Microchip© được chọn làm trung tâm điều khiển cho robot.
PIC tích hợp một bộ biến đổi A/D nhiều kênh để đo cảm biến góc nghiêng và các ngõ
I/O để kiểm soát hai servo được mô tả cho sự quay vòng tiếp theo. Điện được cung cấp
bằng bốn cục pin AA và được ổn áp dropout. Nguồn điện 6V không qua ổn áp được
phân phối đến động cơ servo qua tụ điện 3300µF qua bù năng lượng cho vi mạch điều
khiển khi công suất ngõ ra từ các servo được hoạt động. Mạch điện tử được xây dựng
trên bảng project board Radio Shack RS 276-150 và lắp ráp phía trên các motor servo,
trên khung bằng nhôm. Nguồn điện được đặt gần đỉnh và hoạt động như trọng lượng
Trang 8
SVTH: Mai Tuấn Đạt Chương 1 Tổng quan
của con lắc ngược. Một phiên bản khác của BaliBot sử dụng các cảm biến hồng ngoại
để đo khoảng cách thay vì dùng các cảm biến đo góc.
1.6.1.7 Bender [21]
Robot cân bằng Bender là đề án do TedLarson, San Francisco thực hiện. Mục
tiêu hiện tại của ông là xây dựng robot tự cân bằng trên mặt sàn, và từ đó dùng làm
nền cơ bản (platform) để xây dựng robot tự hành dùng bánh xe.
Hình 1.12 Hình chụp robot Bender
1.6.1.8 Loại Robot phục vụ con người, kiểu rolling phục vụ con người
của hãng TOYOTA
Đây là một trong những loại robot có công
dụng phục vụ cho con người do hãng TOYOTA
thiết kế. 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
làm nhiều công việc khác nhau, chủ yếu được dùng
làm trợ lý trong công nghiệp.
Hình 1.13 Loại robot, kiểu
Rolling của TOYOTA
1.6.2 Một số dạng scooter hai bánh tự cân bằng
1.6.2.1 Segway [33]
Không giống như một chiếc xe hơi, Segway chỉ có hai bánh – trông nó như một
chiếc xe đẩy bằng tay thông thường – nó còn kiểm soát hoạt động ở tư thế thẳng đứng.
Để di chuyển đến trước hay lùi ra sau, người lái đứng trên Segway chỉ việc hơi
nghiêng về phía trước hay phía sau. Để quẹo trái hay phải, người lái quay tay lái qua
phải hướng ra trước hay ra sau.
Trang 9
SVTH: Mai Tuấn Đạt Chương 1 Tổng quan
Hoạt động cân bằng ở Segway là một điều thú vị nhất, đó là chiếc chìa khóa của
quá trình hoạt động. Xem xét về mô hình Karmen về thăng bằng của cơ thể người để
hiểu hệ thống làm việc như thế nào. Nếu ta đứng và nghiêng người về phía trước,
không còn thăng bằng, bạn sẽ ngã về trước. Bộ não biết rằng bạn không còn thăng
bằng nữa, bởi vì chất dịch trong tai trong dao động, nên nó truyền tín hiệu ra lệnh cho
chân bạn đặt lên phía trước và bạn lấy lại thăng bằng. Nếu bạn giữ mình trong trạng
thái nghiêng về trước, bộ não điều khiển chân bạn đặt lên trước và giữ bạn đứng thẳng.
Thay vì ngã, bạn bước đến trước.
Hình 1.14 Segway
Segway tạo ra khá giống như vậy, ngoại trừ nó có bánh xe thay vì đôi chân, động
cơ thay cho bắp cơ, tập hợp các vi mạch xử lý thay cho một bộ não và một dãy các
cảm biến nghiêng thay cho hệ thống cân bằng tai trong. Như bộ não của bạn, Segway
nhận biết khi ta hướng về trước. Để duy trì cân bằng, nó quay bánh xe đến trước chỉ
với tốc độ vừa phải (chính xác), nên ta di chuyển đến trước.
Sự phân chia rõ ràng (con quay hồi chuyển chính yếu – trạng thái cân bằng).
Khối Segway được lắp đặt nhiều hơn hai bánh xe. Thiết bị lái tận dụng cả công nghệ
drive-by-wire và thiết bị cơ khí có hệ thống. Trong khi việc thiết kế bốn bánh đưa đến
vận động dễ dàng và tốc độ cao hơn một tí, người lái có thể chọn lựa giữa việc sử dụng
bốn bánh hay chỉ hai bánh xe.
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).
Một con quay hồi chuyển cơ học cơ bản là một bánh xe quay tròn bên trong cơ cấu
vững chắc. Mục đích sự quay tròn nhằm kháng lại sự thay đổi trục quay của nó, bởi vì
lực tác động di chuyển dọc theo cơ cấu. Nếu ta đẩy một điểm trên bánh xe quay, ví dụ,
điểm này di chuyển quanh bánh trước trong khi nó vẫn còn giữ lực tác động. Khi một
điểm lực giữ di chuyển, nó kết thúc lực tác dụng đối diện với điểm cuối của bánh xe –
không còn cân bằng lực.
Trang 10
SVTH: Mai Tuấn Đạt Chương 1 Tổng quan
Bởi vì nó kháng đối với lực bên ngoài, bánh xe quay hồi chuyển sẽ duy trì vị trí
của nó trong không gian (liên hệ với mặt đất) thậm chí nếu bạn nghiêng nó đi. Nhưng
hệ thống con quay hồi chuyển sẽ di chuyển tự do trong không gian. Bằng việc đo
lường vị trí của bánh xe quay liên hệ với cơ cấu, cảm biến chính xác có thể cho ta biết
độ dốc của vật (nó nghiêng bao nhiêu so với vị trí thẳng đứng) cũng như tốc độ dốc
(nó nghiêng nhanh như thế nào).
Một con quay hồi chuyển thông thường sẽ cồng kềnh và khó bảo dưỡng xe, nên
Segway tiếp thu hiệu quả này với hình thức khác của cơ khí. Segway vận dụng một
cảm biến tốc độ nghiêng bán dẫn đặc biệt được tạo từ silic. Loại con quay hồi chuyển
này quy định sự quay vòng của vật thể sử dụng hiệu ứng Coriolis trên một lớp rất nhỏ.
Segway HT có năm cảm biến hồi chuyển, mặc dù nó chỉ cần ba cảm biến để phát
hiện ra mức đẩy ra trước và ra sau cũng như nghiêng bên trái hay bên phải. Các cảm
biến còn lại làm cho phương tiện chắc chắn hơn. Thêm vào đó, Segway có hai cảm
biến nghiêng chứa đầy dung dịch điện phân. Giống như tai trong, hệ thống nhận biết vị
trí nghiêng có liên hệ với mặt đất trong trạng thái nghiêng của bề mặt chất dịch.
Tất cả thông tin về trạng thái nghiêng truyền đến “bộ não” của xe, hai bảng mạch
điều khiển điện tử bao gồm một bó vi mạch xử lý. Segway có tổng cộng 10 bảng mạch
vi xử lý, với năng lực gấp ba lần năng lực PC điển hình. Thông thường cả hai bảng
mạch làm việc chung với nhau nhưng nếu một bảng bị hư, bảng còn lại nhận tất cả các
chức năng để hệ thống báo tín hiệu cho người lái biết sự trục trặc để khởi động lại.
Segway đòi hỏi năng lực làm việc cao của bộ não vì nó cần điều chỉnh cực kỳ
chính xác để giữ không bị ngã. Trong những máy thông thường, bảng mạch điều khiển
kiểm tra vị trí cảm biến khoảng 100 lần/giây. Mạch vi xử lý điều hành phần mềm
tương thích để phát tín hiệu tất cả các thông tin ổn định và điều chỉnh tốc độ cho nhiều
động cơ điện phù hợp. Động cơ điện được nạp năng lượng từ một cặp pin (Ni-MH) có
thể sạc lại, làm quay độc lập mỗi bánh xe với tốc độ khác nhau.
Khi xe nghiêng về trước, động cơ làm cả hai bánh xe quay về trước và giữ về
trạng thái nghiêng. Khi xe nghiêng ra sau, động cơ làm cả hai bánh xe quay ra sau. Khi
người 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 ngược chiều để xe xoay quanh.
Nó chỉ đi khoảng 12 dặm/giờ (20km/giờ), và nó cần nạp điện khoảng 6 giờ để dự
trữ dùng đủ cho một chuyến đi 15 dặm (24km).
Segway là sự lựa chọn cao trong thành phố. Vì các xe hơi đắt tiền và nếu có
lượng lớn xe hơi chạy trên đường phố sẽ gây nên ùn tắt giao thông, và thiếu chỗ đậu
xe. Tất cả những điều ấy, xe hơi không là phương tiện tối ưu nhất trong khu dân cư
đông đúc.
Segway không thể đưa con người đi đến nơi muốn đến với tốc độ cao nhất,
nhưng Segway có thể đi bằng sự di chuyển chậm, nối đuôi nhau. Một khi chúng đến
nơi, người lái có thể mang Segway vào bên trong mà không phải lo lắng gì về chỗ đậu
xe. Và cũng không cần dừng ở những trạm xăng dầu, mà chỉ cần nạp điện cho xe tại
nhà.
Trang 11
SVTH: Mai Tuấn Đạt Chương 1 Tổng quan
Segway cũng là chiếc máy tốt dùng để đi trong các kho hàng, nơi có nhiều hành
lang. Người ta còn nhận thấy sự hữu dụng khi đi quanh trong các khu dân cư, 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 lượng.
• Tốc độ cao nhất: 12,5 dặm/giờ (20 km/giờ). Gấp ba lần tốc độ đi bộ bình
thường.
• Trọng lượng không tải: 80 lbs (36 kg).
• Chiều rộng: không gian bao phủ trên mặt đất của Segway là 19 – 25 inch (48 –
63,5 cm). Segway có chiều rộng gần bằng kích thước của một người trung bình,
nên nó không mất nhiều diện tích trên đường. Bàn đạp dài 8 inch (20 cm).
• Tải trọng: một người nặng 250 pound (110kg) với hàng hóa nặng 75 pound
(34kg).
• Phạm vi: đi khoảng 17 dặm (28 km) với một bình sạc đơn. Trên mô hình tính
toán, người thiết kế ước tính xe đi trong phạm vi 11 dặm (17 km) với một bình
sạc đơn.
• Giao diện hiển thị xe hoạt động: Segway có
màn hình LCD nhỏ cho người lái biết năng
lượng pin còn bao nhiêu và hoạt động của xe
như thế nào, còn tốt không. Màn hình trình bày
như bề mặt hoạt hình, biểu diễn trạng thái
chung của phương tiện.
1.6.2.2 Balancing scooter [17]
Trevor Blackwell chế tạo ra xe scooter dựa theo
Segway của hãng Mỹ. Xe scooter tự cân bằng này
được xây dựng từ những bộ phận giống động cơ xe
lăn và từ các cục pin xe RC. 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 được viết trong Python
và sử dụng port số để truyền thông tin đến con quay
hồi chuyển và mạch điều khiển động cơ.
Xe được sử dụng vi điều khiển 8-bit từ Atmel,
chạy trên code C với một số điểm trôi. Nó gởi những
Hình 1.15 Xe 2 bánh tự cân bằng
lệnh kiểm soát tốc độ ra port serial khoảng 9600 baud của Trevor Blackwell
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 hướng chính xác, cùng hoạt động với vi mạch điều khiển Atmel, với giá
149USD do Rotomotion tạo ra.
1.6.2.3 HTV [18]
Trang 12
