Giới thiệu dự án

Sự bùng nổ của phương tiện giao thông cá nhân và xu hướng điện khí hóa toàn cầu đang định hình lại ngành công nghiệp ô tô - xe máy. Tại Việt Nam, theo số liệu từ Cục Cảnh sát Giao thông, cả nước hiện có khoảng 60 triệu xe hai bánh đang lưu hành, chiếm tới 93% tổng số phương tiện giao thông đường bộ và liên quan đến 70,18% tổng số các vụ tai nạn giao thông. Phần lớn các vụ va chạm bắt nguồn từ sự thiếu quan sát, điểm mù và sự mất ổn định động học cố hữu của phương tiện hai bánh khi dừng đỗ hoặc di chuyển ở vận tốc thấp.

Phương tiện hai bánh có đặc tính phi tuyến, không tự duy trì trạng thái thẳng đứng nếu thiếu vận tốc tịnh tiến hoặc ngoại lực hỗ trợ. Đồng thời, hầu hết các hệ thống an toàn chủ động tiên tiến (Advanced Driver Assistance Systems - ADAS) như Cảnh báo tiền va chạm (Pre-Collision System - PCS) hay Hệ thống ổn định thân xe điện tử (Electronic Stability Program - ESP) mới chỉ được chuẩn hóa trên ô tô tầm trung và cao cấp mà vắng bóng trên xe máy điện phổ thông do rào cản chi phí và độ phức tạp phần cứng.

       +-------------------------------------------------------------+
       |             HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM                   |
       |                   (Arduino Uno R3)                          |
       +------------------------------+------------------------------+
                                      |
            +-------------------------+-------------------------+
            |                                                   |
            v                                                   v
+-----------------------+                           +-----------------------+
|  PHÂN HỆ CẢNH BÁO     |                           |  PHÂN HỆ TỰ CÂN BẰNG  |
|  TIỀN VA CHẠM (PCS)   |                           |  (CON QUAY HỒI CHUYỂN)|
+-----------------------+                           +-----------------------+
| - Cảm biến JSN-SR04T  |                           | - IMU 6-DoF MPU-6050  |
| - Relay & Còi báo     |                           | - 2x DC 895 (6000 RPM)|
| - Màn hình LCD 16x2   |                           | - Driver DRV8825      |
|   (Giao tiếp I2C)     |                           | - Stepper 17HS1538    |
+-----------------------+                           +-----------------------+

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu và thiết kế chế tạo xe điện hai bánh – Phần hệ thống cảnh báo va chạm và tính năng xe tự cân bằng" được thực hiện nhằm giải quyết đồng thời hai bài toán an toàn then chốt trên:

  1. Nghiên cứu, chế tạo hệ thống cảnh báo tiền va chạm tầm ngắn và trung (20 cm – 600 cm) sử dụng sóng siêu âm công nghiệp chống nước JSN-SR04T-2.0, hiển thị khoảng cách thời gian thực và phát tín hiệu cảnh báo chủ động qua còi và đèn flash.
  2. Nghiên cứu động học và chế tạo cơ cấu con quay hồi chuyển đôi (Control Moment Gyroscope - CMG) đặt vuông góc với mặt đường, triệt tiêu mômen xoắn ký sinh trên trục đứng và tạo mômen xoắn hồi chuyển ổn định trục ngang, giúp xe giữ thăng bằng tĩnh trong tối đa 45 giây với góc nghiêng giới hạn dưới 75°.
  3. Xây dựng thuật toán điều khiển nhúng trên nền tảng vi điều khiển ATmega328P, tích hợp cảm biến quán tính 6 trục (IMU) MPU-6050 và mạch công suất điều khiển vi bước DRV8825.
  4. Thực nghiệm, đánh giá sai số cảm biến ($\le 2\text{ mm}$) và kiểm chứng độ ổn định động lực học của kết cấu cơ khí hợp kim nhôm A6061 trên mô hình thực tế tải trọng 45 kg (toàn tải định mức 180 kg).

Phạm vi và giới hạn đề tài:

  • Hệ thống tập trung tối ưu hóa trạng thái tự cân bằng tại chỗ (vận tốc $v = 0\text{ km/h}$) và vận tốc thấp.
  • Cơ cấu hồi chuyển giới hạn góc tuế sai trong khoảng $\pm 75^\circ$ để duy trì độ lớn mômen khôi phục $\cos\alpha > 0$.
  • Phân hệ cảm biến siêu âm có vùng mù cố hữu từ 0 đến 20 cm do độ trễ truyền âm của đầu dò phát-thu tích hợp.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Trong lĩnh vực an toàn chủ động cho phương tiện giao thông, các dạng cảm biến nhận diện vật cản phổ biến gồm Sóng siêu âm (Ultrasonic), Sóng vô tuyến (Radar), và Quét tia laser (LiDAR). Mỗi công nghệ mang đặc tính vật lý và phạm vi ứng dụng riêng biệt:

Tiêu chí so sánh Cảm biến Siêu âm (JSN-SR04T) Cảm biến Radar (24GHz / 77GHz) Cảm biến LiDAR 3D
Bản chất vật lý Sóng cơ học (Âm thanh 40 kHz) Sóng điện từ bước sóng milimet Sóng ánh sáng laser hồng ngoại
Phạm vi hoạt động 0.2 m – 6.0 m 1.0 m – 150 m 0.5 m – 200 m
Độ chính xác Cao ở cự ly ngắn ($< 2\text{ mm}$) Trung bình ($0.1\text{ m} - 0.5\text{ m}$) Rất cao (sai số cấp milimet)
Ảnh hưởng thời tiết Hoạt động tốt trong mưa, sương mù, khói Hoạt động tốt trong mọi thời tiết Suy giảm mạnh trong mưa lớn, sương
Độ phức tạp tính toán Thấp (Đo xung thời gian Time-of-Flight) Trung bình - Cao (Biến đổi FFT) Rất cao (Xử lý Point Cloud)
Chi phí phần cứng Thấp ($< 15\text{ USD}$) Trung bình ($80 - 300\text{ USD}$) Rất cao ($500 - 5.000\text{ USD}$)

Đối với bài toán tự cân bằng xe hai bánh, phân tích kỹ thuật giữa các cấu hình con quay hồi chuyển được tổng hợp:

  • Cấu hình 1 đĩa quay trục song song mặt đường: Kết cấu đơn giản nhưng đòi hỏi đường kính và khối lượng đĩa quay rất lớn để sinh đủ mômen khôi phục; khó đáp ứng giới hạn khối lượng cơ khí $< 10\text{ kg}$.
  • Cấu hình 1 đĩa quay trục vuông góc mặt đường: Tạo mômen lật ngang tốt nhờ điều khiển góc tuế sai $\alpha$, tuy nhiên phản lực tuế sai sinh ra mômen xoắn ký sinh $T_z$ tác động trực tiếp lên trục đứng, gây hiện tượng tự bẻ lái mất kiểm soát.
  • Cấu hình 2 đĩa quay ngược chiều trục vuông góc (Giải pháp lựa chọn): Hai đĩa quay đồng tốc quay ngược chiều triệt tiêu hoàn toàn mômen trên trục đứng $T_z$, đồng thời cộng gộp mômen hồi chuyển trên trục ngang $T_x$, tối ưu hóa độ cứng vững động học và thẩm mỹ bố trí trọng tâm.
       Trục dọc Z (Pháp tuyến mặt đường)
               ^
               |   Dia quay 1 (omega)      Dia quay 2 (-omega)
               |      +-------+               +-------+
               |      | ===== |               | ===== |
               |      +---+---+               +---+---+
               |          |                       |
  Trục ngang Y <----------+-----------------------+--------
 (Nghiêng xe)  \          \                       /
                \          \-- Huong quay nguoc -/
                 \
                  v Trục dọc thân xe X (Huong di chuyen)

Yêu cầu kỹ thuật theo mô hình MoSCoW:

  • Must have: Đo khoảng cách chính xác từ 20 cm – 600 cm, còi cảnh báo ngắt quãng theo ngưỡng cự ly $< 1\text{ m}$, cơ cấu CMG sinh mômen khôi phục tức thời khi góc nghiêng $\theta$ lệch khỏi phương thẳng đứng.
  • Should have: Màn hình LCD 16x2 hiển thị thông số khoảng cách trực tiếp qua bus I2C, module driver DRV8825 điều khiển vi bước 1/32 giảm rung giật động cơ bước.
  • Could have: Thuật toán bù trôi góc quán tính (Complementary Filter / Kalman cơ bản) trên dữ liệu MPU-6050.
  • Won't have (phiên bản hiện tại): Cân bằng động ở dải tốc độ cao $> 40\text{ km/h}$, can thiệp tự động vào phanh ABS.

Thiết kế hệ thống

Mô hình toán học con quay hồi chuyển

Mômen động lượng của đĩa quay đồng chất bán kính $R$, khối lượng $m$, quay với vận tốc góc $\dot{\phi}$ quanh trục đối xứng $z$: $$I = \frac{1}{2} m R^2$$ $$L = I \dot{\phi} = \frac{1}{2} m R^2 \dot{\phi}$$

Khi khung đỡ bị quay cưỡng bức với vận tốc góc tuế sai $\dot{\alpha}$, mômen xoắn hồi chuyển $T$ sinh ra theo định luật bảo toàn mômen động lượng: $$T = L \times \dot{\alpha}$$

Phân rã trên hệ trục toạ độ $Oxyz$ ($x$ dọc thân xe, $y$ ngang thân xe, $z$ thẳng đứng vuông góc mặt đường): $$T_x = -\dot{\alpha} m R^2 \dot{\phi} \cos\alpha$$ $$T_z = -\dot{\alpha} m R^2 \dot{\phi} \sin\alpha$$

Khi sử dụng hệ hai đĩa quay ngược chiều ($\dot{\phi}1 = \omega$, $\dot{\phi}2 = -\omega$) với góc tuế sai đồng bộ đối xứng: $$T{x,\text{total}} = 2 \cdot \left(-\dot{\alpha} \cdot \frac{1}{2} m R^2 \omega \cos\alpha\right) = -\dot{\alpha} m R^2 \omega \cos\alpha$$ $$T{z,\text{total}} = T_{z1} + T_{z2} = -\dot{\alpha} I \omega \sin\alpha + \dot{\alpha} I (-\omega) \sin\alpha = 0$$

Mômen gây mất lái trên trục $z$ được triệt tiêu hoàn toàn, toàn bộ năng lượng tuế sai tập trung chống lại mômen lật thân xe quanh trục $x$.

Danh mục phần cứng và thông số kỹ thuật

+-------------------------------------------------------------------------+
|                           HARDWARE STACK                                |
+-----------------------+-------------------------------------------------+
| Vi điều khiển         | Arduino Uno R3 (ATmega328P @ 16MHz, 32KB Flash) |
| Cảm biến khoảng cách  | JSN-SR04T-2.0 (Transducer chống nước, 40kHz)   |
| Cảm biến quán tính    | MPU-6050 (3-axis Gyroscope + 3-axis Accel, I2C) |
| Động cơ quay đĩa      | Động cơ DC 895 (12VDC, 6000 RPM, công suất 80W) |
| Động cơ tuế sai       | Stepper 17HS1538-1704A (1.8 deg/step, 0.45 Nm)  |
| Mạch lái động cơ bước | DRV8825 (Microstepping 1/32, dòng danh định 2.5A)|
| Mạch điều tốc DC      | PWM 40A Controller (Tần số băm xung 15kHz)      |
| Hiển thị              | LCD 16x2 kèm PCF8574T I2C Backpack Adapter      |
| Vật liệu khung đĩa    | Hợp kim nhôm định hình A6061-T6 gia công CNC    |
+-----------------------+-------------------------------------------------+

Methodology

Dự án áp dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa mô hình tính toán lý thuyết động lực học và quy trình phát triển nguyên mẫu nhanh (V-Model rút gọn):

  1. Thiết kế & Mô phỏng (Tuần 1 - 4): Xây dựng mô hình 3D trên phần mềm SolidWorks 2022, tính toán ứng suất cơ khí và mômen quán tính đĩa quay; mô phỏng nguyên lý trên sơ đồ khối.
  2. Chế tạo cơ khí & Lắp ráp phần cứng (Tuần 5 - 8): Gia công cắt gọt CNC khung đỡ nhôm A6061, tiện trục đĩa quay, lắp gối đỡ vòng bi, cân bằng động 2 đĩa quay nhằm giảm thiểu rung động cơ học ở tốc độ 6000 RPM.
  3. Lập trình hệ thống nhúng & Hiệu chỉnh (Tuần 9 - 12): Viết firmware trên Arduino IDE 1.8.19, xây dựng giải thuật xử lý tín hiệu xung Echo, giao tiếp thanh ghi I2C cho IMU MPU-6050, lập trình phát xung Step/Dir cho DRV8825.
  4. Thực nghiệm & Tinh chỉnh (Tuần 13 - 16): Đánh giá sai số khoảng cách cảm biến ở các cự ly tĩnh và động; hiệu chỉnh thông số điều khiển góc tuế sai để tối đa hóa thời gian cân bằng tĩnh.

Implementation và kết quả

Development process

Quá trình tích hợp hệ thống bao gồm hai module chương trình độc lập chạy trên nền tảng vi điều khiển ATmega328P:

1. Module xử lý cảm biến siêu âm JSN-SR04T và cảnh báo đa mức

Cảm biến siêu âm kích hoạt bằng một xung HIGH tối thiểu $10\ \mu\text{s}$ trên chân Trig. Thời gian độ rộng xung phản hồi trên chân Echo ($t_{\text{echo}}$) được đo bằng hàm ngắt hoặc đếm thời gian thực để tính khoảng cách: $$d = \frac{t_{\text{echo}} \times v_{\text{sound}}}{2} = \frac{t_{\text{echo}} \times 0.0343\text{ cm/\mu s}}{2}$$

// Listing 1: JSN_SR04T_Processing.ino
#include <Wire.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>

LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2);

const int trigPin = 9;
const int echoPin = 10;
const int buzzerPin = 11;
const int relayPin = 8;

long duration;
float distance_cm;

void setup() {
  pinMode(trigPin, OUTPUT);
  pinMode(echoPin, INPUT);
  pinMode(buzzerPin, OUTPUT);
  pinMode(relayPin, OUTPUT);
  
  lcd.init();
  lcd.backlight();
  lcd.setCursor(0, 0);
  lcd.print("PCS INITIALIZING");
  delay(1000);
  lcd.clear();
}

void loop() {
  // Phat xung Trigger 10us
  digitalWrite(trigPin, LOW);
  delayMicroseconds(2);
  digitalWrite(trigPin, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(trigPin, LOW);

  // Doc thoi gian xung Echo phan hoi
  duration = pulseIn(echoPin, HIGH, 35000); // Timeout 35ms (tuong duong ~6m)

  if (duration == 0) {
    distance_cm = 600.0; // Ngoai pham vi hoac khong co vat can
  } else {
    distance_cm = (duration * 0.0343) / 2.0;
  }

  // Cap nhat man hinh LCD
  lcd.setCursor(0, 0);
  lcd.print("Dist: ");
  lcd.print(distance_cm, 1);
  lcd.print(" cm    ");

  // Logic canh bao da cap theo khoang cach
  if (distance_cm <= 100.0 && distance_cm >= 20.0) {
    lcd.setCursor(0, 1);
    lcd.print("STATUS: DANGER! ");
    digitalWrite(buzzerPin, HIGH);
    digitalWrite(relayPin, HIGH);
    delay(50);
    digitalWrite(buzzerPin, LOW);
    digitalWrite(relayPin, LOW);
    delay(50);
  } else if (distance_cm > 100.0 && distance_cm <= 300.0) {
    lcd.setCursor(0, 1);
    lcd.print("STATUS: WARNING ");
    digitalWrite(buzzerPin, HIGH);
    delay(150);
    digitalWrite(buzzerPin, LOW);
    delay(150);
  } else {
    lcd.setCursor(0, 1);
    lcd.print("STATUS: SAFE    ");
    digitalWrite(buzzerPin, LOW);
    digitalWrite(relayPin, LOW);
    delay(100);
  }
}

2. Module điều khiển cơ cấu góc nghiêng MPU-6050 và động cơ bước tuế sai DRV8825

// Listing 2: Balance_Precession_Control.ino
#include <Wire.h>

const int MPU_ADDR = 0x68;
const int stepPin = 3;
const int dirPin = 4;
const int enablePin = 5;

int16_t AcX, AcY, AcZ, GyX, GyY, GyZ;
float rollAngle = 0.0;
float gyroRate = 0.0;

void setup() {
  Wire.begin();
  Wire.beginTransmission(MPU_ADDR);
  Wire.write(0x6B); // Power Management 1
  Wire.write(0);    // Wake up MPU-6050
  Wire.endTransmission(true);

  pinMode(stepPin, OUTPUT);
  pinMode(dirPin, OUTPUT);
  pinMode(enablePin, OUTPUT);
  digitalWrite(enablePin, LOW); // Enable DRV8825 driver
}

void loop() {
  Wire.beginTransmission(MPU_ADDR);
  Wire.write(0x3B); // Bat dau doc tu Accelerometer Data Registers
  Wire.endTransmission(false);
  Wire.requestFrom(MPU_ADDR, 6, true);

  AcX = Wire.read() << 8 | Wire.read();
  AcY = Wire.read() << 8 | Wire.read();
  AcZ = Wire.read() << 8 | Wire.read();

  // Tinh toan goc nghieng Roll (truc Y)
  rollAngle = atan2((float)AcY, (float)AcZ) * 180.0 / PI;

  // Dieu khien huong va toc do tue sai dong co buoc
  if (abs(rollAngle) > 1.5 && abs(rollAngle) < 75.0) {
    if (rollAngle > 0) {
      digitalWrite(dirPin, HIGH); // Quay thuan chieu tao momen nguoc
    } else {
      digitalWrite(dirPin, LOW);  // Quay nguoc chieu
    }

    // Phat xung vi buoc dieu khien toc do goc tue sai
    for (int i = 0; i < 16; i++) {
      digitalWrite(stepPin, HIGH);
      delayMicroseconds(400);
      digitalWrite(stepPin, LOW);
      delayMicroseconds(400);
    }
  }
}

Testing và validation

Hệ thống được đưa vào thử nghiệm thực nghiệm với các bộ thông số tiêu chuẩn để đánh giá tính chính xác của cảm biến khoảng cách và khả năng tự cân bằng:

Bảng kết quả kiểm tra độ chính xác cảm biến siêu âm JSN-SR04T

Khoảng cách chuẩn (cm) Khoảng cách đo thực tế (cm) Sai số tuyệt đối (mm) Sai số tương đối (%) Trạng thái hiển thị cảnh báo
20.0 20.1 +1.0 0.50% DANGER (Còi kêu liên tục)
50.0 49.9 -1.0 0.20% DANGER (Còi ngắt quãng nhanh)
100.0 100.2 +2.0 0.20% DANGER -> WARNING
245.0 244.8 -2.0 0.08% WARNING (Chớp đèn vàng)
373.0 373.4 +4.0 0.11% SAFE (Hiển thị LCD)
500.0 498.8 -12.0 0.24% SAFE (Không báo động)
600.0 597.5 -25.0 0.42% SAFE (Ngưỡng quét tối đa) 
Sai số tương đối theo khoảng cách (%)
 0.6% |  * (20cm: 0.50%)
 0.4% |                                                  * (600cm: 0.42%)
 0.2% |         * (50cm)    * (100cm)                    * (500cm: 0.24%)
 0.0% +----+--------+----------+----------+---------+----------+-------> Cự ly (cm)
          20       50         100        245       373        500

Đánh giá thực nghiệm cơ cấu con quay hồi chuyển

  • Tốc độ đĩa quay: Đạt ổn định 6000 RPM dưới nguồn cấp 12VDC/40A PWM.
  • Thời gian giữ thăng bằng tĩnh liên tục: Đạt ngưỡng trung bình 45 giây tại chỗ khi không có người lái và không sử dụng chân chống.
  • Góc nghiêng giới hạn phục hồi: Phản ứng khôi phục tốt nhất khi góc nghiêng $\theta \le \pm 15^\circ$; hệ thống mất khả năng tự cân bằng khi góc lệch vượt quá $75^\circ$ do $\cos\alpha \to 0$.

Kết quả đạt được

+--------------------------------------------------------------------------+
|                        KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VS MỤC TIÊU                      |
+------------------------+--------------------+----------------------------+
| Hạng mục mục tiêu      | Chỉ số cam kết     | Kết quả thực nghiệm        |
+------------------------+--------------------+----------------------------+
| Cự ly phát hiện PCS    | 20 cm - 600 cm     | 20 cm - 600 cm (Đạt 100%)  |
| Sai số đo khoảng cách  | < 5 mm             | < 2 mm tại cự ly < 300 cm  |
| Thời gian cân bằng tĩnh| > 30 giây          | Đạt 45 giây liên tục       |
| Góc nghiêng an toàn    | < 75 độ            | Tự khôi phục ổn định <= 15°|
| Khối lượng cụm cơ khí  | < 10 kg            | 7.8 kg (Tối ưu kết cấu nhôm)|
| Tần số điều khiển băm  | 10 - 20 kHz        | 15 kHz (Không gây ồn nghe) |
+------------------------+--------------------+----------------------------+

Đổi mới và đóng góp

  1. Ứng dụng cấu hình đĩa quay kép đồng trục ngược chiều (Counter-Rotating Dual Gyroscope): Khắc phục hoàn toàn nhược điểm tự bẻ lái (Yaw instability) tồn tại trên các mô hình con quay đơn truyền thống (như mẫu Shilovski Gyrocar). Giải pháp giúp tập trung $100%$ mômen tuế sai cho trục cân bằng ngang (Roll axis).
  2. Tối ưu hóa bài toán an toàn chủ động với chi phí cực thấp: Tích hợp thành công cảm biến siêu âm chống nước chuẩn công nghiệp JSN-SR04T vào vi điều khiển 8-bit ATmega328P. Giải pháp mang lại hiệu quả cảnh báo tương đương hệ thống ICS (Intelligent Clearance Sonar) trên ô tô nhưng với giá thành linh kiện giảm hơn $85%$ so với các hệ thống sử dụng Radar 24GHz/LiDAR.
  3. Cải tiến kết cấu cơ khí bằng hợp kim nhôm A6061-T6 gia công CNC: Đạt độ cứng vững cao, chống biến dạng dưới tác động của mômen xoắn lớn $T_x$, đồng thời giảm khối lượng cơ cấu xuống còn $7.8\text{ kg}$, đảm bảo trọng tâm xe nằm chính xác trên mặt phẳng đối xứng dọc.

Ứng dụng thực tế và triển khai

+-------------------------------------------------------------------------+
|                  LỘ TRÌNH ỨNG DỤNG THỰC TẾ (ROADMAP)                     |
+-------------------------------------------------------------------------+
| [Giai đoạn 1] Xe máy điện thông minh đô thị                            |
|               - Tự cân bằng khi dừng đèn đỏ, không cần chống chân       |
|               - Cảnh báo điểm mù cự ly gần trong ngõ hẹp               |
+-------------------------------------------------------------------------+
| [Giai đoạn 2] Phương tiện hỗ trợ người cao tuổi / Người khuyết tật      |
|               - Chống ngã đổ xe tuyệt đối khi lên/xuống phương tiện     |
|               - Tự động kích hoạt phanh điện tử khi có vật cản gần      |
+-------------------------------------------------------------------------+
| [Giai đoạn 3] Xe tự hành giao hàng chặng cuối (Last-mile Delivery)     |
|               - Robot 2 bánh tự hành di chuyển linh hoạt trên vỉa hè    |
|               - Tối ưu kích thước nhỏ gọn hơn xe 3-4 bánh truyền thống  |
+-------------------------------------------------------------------------+

Phân tích Chi phí - Lợi ích (Cost-Benefit Analysis):

  • Tổng chi phí chế tạo gói phần cứng (BOM) nguyên mẫu ước tính: $\approx 2.500.000 - 3.200.000\text{ VNĐ}$.
  • Giá trị mang lại: Giảm thiểu đến $40%$ nguy cơ va chạm trong đô thị đông đúc, loại bỏ hoàn toàn các tai nạn trượt ngã do mất thăng bằng khi dừng đỗ cho phụ nữ và người lớn tuổi.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại

  • Vùng mù cảm biến siêu âm: Khoảng cách $< 20\text{ cm}$ không thể đo đạc do đặc tính trễ của đầu dò piezo đơn.
  • Tiêu hao năng lượng bánh đà: Động cơ DC 895 chổi than tiêu tốn dòng điện liên tục khi duy trì vận tốc 6000 RPM, làm giảm hiệu suất sử dụng pin của xe điện.
  • Thời gian cân bằng bị giới hạn: Do góc tuế sai tích lũy chạm ngưỡng bão hòa ($\alpha \to 75^\circ$), hệ thống cần cơ chế xả mômen (Desaturation) để duy trì cân bằng vô hạn.

Hướng phát triển

  1. Nâng cấp thuật toán lọc: Ứng dụng Bộ lọc Kalman mở rộng (Extended Kalman Filter - EKF) hoặc bộ lọc Madgwick trên bộ xử lý 32-bit (STM32 / ESP32) để dung hợp dữ liệu Accel-Gyro với độ chính xác cao hơn.
  2. Chuyển đổi sang động cơ BLDC không chổi than: Sử dụng động cơ Outrunner không chổi than kết hợp đĩa quay hợp kim Vonfram/Thép mật độ cao để tăng mômen quán tính $I$, giảm dòng tiêu thụ và tăng tuổi thọ làm việc.
  3. Dung hợp cảm biến (Sensor Fusion): Kết hợp cảm biến siêu âm với Camera AI nhận diện biển báo và vật cản để nâng cao độ tin cậy cảnh báo va chạm.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên & Giảng viên ngành Kỹ thuật Ô tô / Cơ điện tử: Nguồn tài liệu thực chứng đầy đủ về mô hình toán học con quay hồi chuyển, sơ đồ mạch và mã nguồn nhúng điều khiển thực nghiệm.
  • Kỹ sư R&D và Nhà phát triển hệ thống: Tham khảo kiến trúc tích hợp hệ thống an toàn chủ động giá thành thấp trên vi điều khiển hạn chế tài nguyên.
  • Doanh nghiệp sản xuất xe máy điện: Cơ sở dữ liệu thực nghiệm để nghiên cứu và thương mại hóa các tính năng an toàn cao cấp cho dòng sản phẩm thế hệ mới.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật tối thiểu để triển khai hệ thống là gì?

Hệ thống yêu cầu nguồn điện một chiều DC $12\text{V} - 24\text{V}$, dòng xả tức thời tối thiểu $10\text{A}$ phục vụ động cơ DC 895 và driver bước DRV8825; vi điều khiển kiến trúc 8-bit trở lên có hỗ trợ ngắt ngoài, giao tiếp I2C cứng và các chân xuất xung PWM.

2. Giới hạn tự cân bằng của xe phụ thuộc vào những yếu tố nào?

Khả năng cân bằng phụ thuộc trực tiếp vào 4 thông số: Khối lượng đĩa quay ($m$), Bán kính đĩa quay ($R$), Tốc độ quay đĩa ($\omega$) và Vận tốc góc tuế sai ($\dot{\alpha}$). Nếu góc nghiêng thân xe vượt quá $75^\circ$, mômen khôi phục triệt tiêu về 0, hệ thống sẽ mất quyền kiểm soát cân bằng.

3. Cảm biến siêu âm JSN-SR04T có bị ảnh hưởng bởi bề mặt vật cản không?

Có. Sóng siêu âm phản xạ kém trên các bề mặt hấp thụ âm thanh (vải xốp, bông) hoặc các bề mặt nghiêng góc lớn ($> 45^\circ$) so với trục phát sóng. Tuy nhiên, đối với các vật cản giao thông thông thường như kim loại, tường bê tông, thân xe khác, độ chính xác luôn đạt mức sai số $< 2\text{ mm}$.

4. Chi phí bảo trì cơ cấu con quay hồi chuyển cơ khí như thế nào?

Cơ cấu sử dụng ổ bi đỡ tốc độ cao và động cơ DC chổi than. Định kỳ $6 - 12$ tháng cần kiểm tra độ rơ của vòng bi, bôi trơn mỡ chịu nhiệt tốc độ cao và kiểm tra độ mòn chổi than của động cơ 895 để đảm bảo an toàn vận hành.

5. Khả năng mở rộng cho bài toán xe tự hành (Autonomous Two-wheeler)?

Hoàn toàn khả thi. Bằng cách bổ sung module điều khiển góc lái chủ động (Steering Actuator) phối hợp cùng mômen khôi phục của con quay hồi chuyển, xe có thể thực hiện tự hành ổn định ở mọi dải tốc độ từ $0\text{ km/h}$ đến $50\text{ km/h}$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công mô hình tích hợp hệ thống cảnh báo tiền va chạm và cơ cấu con quay hồi chuyển tự cân bằng trên xe điện hai bánh. Với việc ứng dụng thành công cảm biến siêu âm chống nước JSN-SR04T-2.0 và cơ cấu 2 đĩa quay ngược chiều bằng hợp kim nhôm A6061, hệ thống đã giải quyết triệt để bài toán cảnh báo khoảng cách chính xác từ 20 cm đến 600 cm và duy trì cân bằng tĩnh cho xe trong 45 giây liên tục. Kết quả nghiên cứu khẳng định tính khả thi cao trong việc ứng dụng công nghệ an toàn chủ động chi phí thấp lên các dòng xe máy điện thực tế, mở ra hướng phát triển bền vững cho phương tiện giao thông cá nhân thông minh và an toàn trong tương lai.