I. Tổng quan về mô hình xe hai bánh tự cân bằng
Mô hình xe hai bánh tự cân bằng là một phương tiện di chuyển cá nhân thông minh, được thiết kế để di chuyển linh hoạt trong không gian hẹp. Mục tiêu của đề tài là thiết kế và chế tạo một mô hình xe với các ưu điểm như dễ điều khiển, không gây ô nhiễm môi trường, và phù hợp với nhu cầu di chuyển tại các khu vực đông đúc. Xe được thiết kế với hai bánh song song, giúp tối ưu hóa không gian di chuyển.
1.1. Mục tiêu và giới hạn của đề tài
Mục tiêu chính của đề tài là thiết kế và chế tạo một mô hình xe hai bánh tự cân bằng hiệu quả. Giới hạn của đề tài bao gồm việc xe chỉ di chuyển trên địa hình phẳng với độ dốc nhỏ hơn 15°, và tải trọng tối đa là 120 kg, phù hợp với thể trạng người Việt Nam.
1.2. Phương pháp tiếp cận
Đề tài được tiếp cận thông qua các phương pháp như khảo sát tài liệu, nghiên cứu các mô hình xe tự cân bằng trên thế giới, và thực nghiệm trên mô hình thực tế. Các kỹ thuật như thuật toán PID và bộ lọc Kalman được áp dụng để tối ưu hóa hệ thống điều khiển.
II. Kết cấu cơ khí và hệ thống điện
Kết cấu cơ khí của xe bao gồm khung xe, cần điều khiển, hộp giảm tốc, và bánh xe. Khung xe được làm từ sắt V3, đảm bảo độ bền và khả năng chịu tải. Hệ thống điện bao gồm mạch điều khiển động cơ, cảm biến IMU, và board Arduino Due, giúp xe tự cân bằng và di chuyển một cách chính xác.
2.1. Thiết kế cơ khí
Khung xe được thiết kế với kích thước 310x380 mm, sử dụng sắt V3 để đảm bảo độ bền. Cần điều khiển được làm từ inox, có thể xoay trái/phải để điều hướng xe. Hộp giảm tốc TSUBAKI với tỷ số truyền 1:10 được sử dụng để tối ưu hóa tốc độ và mô men xoắn.
2.2. Hệ thống điện và điều khiển
Hệ thống điện bao gồm board Arduino Due với vi điều khiển ARM Cortex-M3, cảm biến IMU MPU 6050 để đo góc nghiêng, và mạch cầu H điều khiển động cơ. Cảm biến IMU kết hợp với bộ lọc Kalman giúp cung cấp dữ liệu chính xác về trạng thái cân bằng của xe.
III. Giải thuật điều khiển cân bằng và di chuyển
Giải thuật điều khiển là yếu tố then chốt giúp xe tự cân bằng và di chuyển một cách ổn định. Thuật toán PID được sử dụng để điều khiển động cơ, trong khi bộ lọc Kalman giúp lọc nhiễu từ cảm biến IMU, đảm bảo dữ liệu đầu vào chính xác.
3.1. Nguyên lý điều khiển cân bằng
Nguyên lý điều khiển cân bằng dựa trên việc sử dụng cảm biến IMU để đo góc nghiêng của xe. Dữ liệu từ cảm biến được xử lý qua bộ lọc Kalman để loại bỏ nhiễu, sau đó được đưa vào thuật toán PID để điều chỉnh tốc độ động cơ, giúp xe luôn ở trạng thái cân bằng.
3.2. Giải thuật PID
Thuật toán PID được áp dụng để điều khiển động cơ, đảm bảo xe di chuyển một cách mượt mà và ổn định. Các thông số P, I, D được tinh chỉnh để phù hợp với đặc tính của hệ thống, giúp xe phản ứng nhanh với các thay đổi về góc nghiêng.
IV. Kết quả thực nghiệm và ứng dụng
Kết quả thực nghiệm cho thấy mô hình xe hai bánh tự cân bằng hoạt động ổn định trên địa hình phẳng, với độ chính xác cao từ cảm biến IMU và hiệu quả của thuật toán PID. Xe có thể di chuyển với tốc độ 15 km/h và tải trọng tối đa 120 kg, phù hợp với mục tiêu ban đầu.
4.1. Độ chính xác của cảm biến
Cảm biến IMU kết hợp với bộ lọc Kalman cho kết quả đo góc nghiêng chính xác, giúp xe duy trì trạng thái cân bằng một cách hiệu quả. Dữ liệu thô từ cảm biến được lọc nhiễu, đảm bảo độ tin cậy cao trong quá trình điều khiển.
4.2. Ứng dụng thực tế
Mô hình xe hai bánh tự cân bằng có tiềm năng ứng dụng cao trong các khu vực đông đúc như sân bay, siêu thị, và khu thương mại. Xe không chỉ tiết kiệm không gian mà còn thân thiện với môi trường, phù hợp với xu hướng phát triển bền vững.
