I. Giới thiệu về Thiết kế xe hai bánh tự cân bằng tại HCMUTE
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế và chế tạo xe hai bánh tự cân bằng tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (HCMUTE) của sinh viên Hoàng Minh Nhật và Trần Đức Tấn tập trung vào việc ứng dụng kiến thức đã học để tạo ra một phương tiện di chuyển nhỏ gọn, tiết kiệm năng lượng và thân thiện với môi trường. Đề tài này phản ánh sự nghiên cứu xe tự cân bằng và thiết kế xe điện tự cân bằng với mục tiêu cụ thể là thiết kế cơ khí đáp ứng yêu cầu nhỏ gọn, giảm ma sát, dễ điều khiển. Việc mô hình hóa xe tự cân bằng và mô phỏng xe tự cân bằng trên Simulink Matlab đóng vai trò quan trọng trong việc lựa chọn phương pháp điều khiển tối ưu. Học viện Kỹ thuật Quân sự HCMUTE hỗ trợ cho việc nghiên cứu này, tạo điều kiện cho sinh viên phát triển dự án xe hai bánh tự cân bằng. Các linh kiện xe tự cân bằng được lựa chọn kỹ lưỡng để đảm bảo hiệu quả vận hành. An toàn xe tự cân bằng được đặt lên hàng đầu trong quá trình thiết kế và chế tạo.
1.1 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu
Mục tiêu chính của đồ án là thiết kế xe hai bánh tự cân bằng, bao gồm thiết kế phần cơ khí, mạch điện điều khiển, và chương trình điều khiển. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc xây dựng thuật toán điều khiển dựa trên thuật toán PID, với giả định xe di chuyển trên địa hình phẳng. Tải trọng được thiết kế phù hợp với thể trạng người Việt Nam, không quá 80kg. Việc nghiên cứu khoa học HCMUTE được phản ánh qua việc áp dụng các nguyên lý vật lý và sức bền vật liệu vào thiết kế cơ khí xe tự cân bằng. Giáo trình thiết kế xe tự cân bằng không được đề cập cụ thể nhưng các kiến thức cơ bản được vận dụng thành thạo. Tài liệu xe tự cân bằng được tham khảo rộng rãi, giúp sinh viên hoàn thiện đồ án. Đồ án đề cập đến việc điều khiển xe tự cân bằng bằng phần mềm điều khiển xe tự cân bằng, sử dụng vi điều khiển và cảm biến. Các ứng dụng xe tự cân bằng được đề cập đến một cách khái quát.
1.2 Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết và thực hành. Sinh viên đã nghiên cứu các tài liệu xe tự cân bằng, bao gồm tài liệu trong và ngoài nước. Mô hình toán của xe được xây dựng trên phần mềm Matlab, giúp mô phỏng xe tự cân bằng. Thiết kế xe điện tự cân bằng được thực hiện dựa trên các tính toán kỹ thuật và kiến thức chuyên ngành. Việc thử nghiệm xe tự cân bằng là một phần quan trọng để đánh giá hiệu quả của thiết kế. Báo cáo khoa học xe tự cân bằng tổng hợp kết quả nghiên cứu, phân tích ưu điểm, nhược điểm và giải pháp khắc phục. Nghiên cứu xe tự cân bằng này thể hiện rõ ràng quá trình thiết kế, chế tạo và thử nghiệm một sản phẩm thực tế. Sự kết hợp giữa thuật toán điều khiển xe tự cân bằng và phần cứng tạo nên một hệ thống hoàn chỉnh.
II. Tổng quan nghiên cứu và phát triển xe hai bánh tự cân bằng
Phần này trình bày tổng quan về xe hai bánh tự cân bằng, bao gồm các nghiên cứu trước đây trong và ngoài nước. Xe tự cân bằng Segway được đề cập như một ví dụ điển hình về công nghệ này. Các nghiên cứu của các tác giả khác như Nguyễn Gia Minh Thảo và Mai Tuấn Đạt cũng được nhắc đến. Xe điện thông minh tự cân bằng là một hướng phát triển quan trọng, được thể hiện qua các nghiên cứu. Ứng dụng thực tế xe tự cân bằng đang ngày càng đa dạng và mở rộng. Tương lai xe tự cân bằng hứa hẹn nhiều tiềm năng phát triển, đặc biệt trong lĩnh vực giao thông cá nhân.
2.1 Nghiên cứu quốc tế
Đồ án tham khảo kinh nghiệm quốc tế, đặc biệt là xe Segway, một sản phẩm nổi bật về xe hai bánh điện tự cân bằng. Mẫu xe tự cân bằng này được phân tích chi tiết về thông số kỹ thuật, nguyên lý hoạt động và ứng dụng. Việc so sánh với các loại xe tự cân bằng khác giúp làm rõ các ưu điểm và nhược điểm của mỗi loại. Các xu hướng phát triển xe tự cân bằng trên thế giới cũng được đề cập, cho thấy sự phát triển không ngừng của công nghệ này. Giá thành xe tự cân bằng được đề cập để minh họa cho sự khác biệt giữa các sản phẩm. Ứng dụng xe tự cân bằng trong nhiều lĩnh vực khác nhau trên thế giới được đề cập, giúp làm rõ tiềm năng của công nghệ này.
2.2 Nghiên cứu trong nước
Đồ án cũng đề cập đến các nghiên cứu khoa học HCMUTE và các nghiên cứu khác trong nước về xe hai bánh tự cân bằng. Các luận văn tốt nghiệp và nghiên cứu của các tác giả Việt Nam được trình bày, cho thấy sự đóng góp của Việt Nam vào lĩnh vực này. So sánh giữa các nghiên cứu trong nước và quốc tế giúp làm rõ vị thế của Việt Nam trong công nghệ xe tự cân bằng. Việc so sánh các loại xe tự cân bằng cho thấy sự đa dạng trong thiết kế và ứng dụng. Thực trạng nghiên cứu xe tự cân bằng trong nước được trình bày tổng quan, đánh giá những thành tựu và thách thức.
III. Cơ sở lý thuyết và thiết kế
Phần này tập trung vào cơ sở lý thuyết xe tự cân bằng, bao gồm nguyên lý cân bằng, nguyên lý di chuyển và khả năng di chuyển của xe. Mô hình xe tự cân bằng được xây dựng dựa trên các nguyên lý vật lý và toán học. Lý thuyết bộ điều khiển PID và lý thuyết bộ lọc Kalman được sử dụng để thiết kế hệ thống điều khiển. Thiết kế điện tử xe tự cân bằng được thực hiện với sự lựa chọn các linh kiện phù hợp.
3.1 Nguyên lý hoạt động và mô hình toán
Phần này trình bày chi tiết về nguyên lý cân bằng xe hai bánh tự cân bằng. Nguyên lý di chuyển xe được giải thích rõ ràng, bao gồm ảnh hưởng của trọng tâm và vị trí bánh xe. Khả năng di chuyển của xe trên các địa hình khác nhau được phân tích. Mô hình toán học xe tự cân bằng được xây dựng để mô phỏng và phân tích hệ thống. Phương pháp điều khiển xe tự cân bằng được lựa chọn và giải thích. Bài toán điều khiển xe tự cân bằng được giải quyết bằng cách sử dụng các thuật toán điều khiển hiện đại.
3.2 Thiết kế hệ thống điều khiển
Phần này tập trung vào thiết kế phần điện của xe, bao gồm thiết kế mạch xử lý trung tâm, mạch điều khiển động cơ và cảm biến MPU6050. Vi điều khiển DSPIC30F4011/4012 được sử dụng làm bộ xử lý trung tâm. Bộ lọc Kalman được áp dụng để xử lý tín hiệu từ cảm biến. Giải thuật điều khiển xe tự cân bằng được thiết kế dựa trên thuật toán điều khiển xe tự cân bằng. Phần mềm điều khiển xe tự cân bằng được phát triển để điều khiển các động cơ và giữ thăng bằng cho xe. Cơ cấu điều khiển xe tự cân bằng được mô tả chi tiết, bao gồm các thành phần chính và chức năng của từng thành phần.
IV. Thực nghiệm và đánh giá
Phần này trình bày kết quả thực nghiệm xe tự cân bằng, bao gồm mô phỏng bằng Matlab, đánh giá độ chính xác của cảm biến, và phân tích kết quả thực tế. Kết quả mô phỏng được sử dụng để điều chỉnh các thông số của hệ thống điều khiển. Thực tế vận hành xe tự cân bằng cho thấy hiệu quả của thiết kế và chế tạo. Độ an toàn xe tự cân bằng được đánh giá thông qua quá trình thử nghiệm.
4.1 Kết quả mô phỏng và thử nghiệm
Kết quả mô phỏng trên Matlab cho thấy khả năng hoạt động của hệ thống điều khiển. Kết quả thực nghiệm được so sánh với kết quả mô phỏng để đánh giá độ chính xác của mô hình. Độ chính xác cảm biến ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả của hệ thống điều khiển. Giải thuật điều khiển xe tự cân bằng được đánh giá dựa trên kết quả thực nghiệm. Các thử nghiệm xe tự cân bằng được tiến hành trong điều kiện khác nhau để đánh giá khả năng hoạt động của xe.
4.2 Phân tích và đánh giá
Phần này phân tích các kết quả thu được từ quá trình mô phỏng và thử nghiệm. Ưu điểm và nhược điểm của thiết kế được chỉ ra rõ ràng. Tiềm năng phát triển xe tự cân bằng được đề cập, dựa trên kết quả nghiên cứu. Giá thành xe tự cân bằng được đánh giá để xác định tính khả thi của sản phẩm. Ứng dụng thực tế xe tự cân bằng được đề xuất dựa trên kết quả nghiên cứu. Đánh giá tổng quan xe tự cân bằng cho thấy thành công và hạn chế của đồ án.
