Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh giao thông và vận chuyển hiện đại, các phương tiện truyền thống như ô tô, xe máy, tàu hỏa hay máy bay tuy đáp ứng tốt nhu cầu đi lại trên các chặng đường dài nhưng bộc lộ nhiều hạn chế khi vận hành trong không gian hẹp như nhà xưởng công nghiệp, khuôn viên văn phòng hoặc kho bãi nội bộ. Sự cồng kềnh, mức tiêu hao nhiên liệu hóa thạch và phát thải gây ô nhiễm môi trường đặt ra yêu cầu cần có những phương tiện di chuyển cá nhân nhỏ gọn, linh hoạt và sử dụng năng lượng sạch.

Đề tài "Thiết kế và chế tạo xe hai bánh tự cân bằng" được nhóm sinh viên Hoàng Minh Nhật và Trần Đức Tấn (ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử, Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh) thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Võ Lâm Chương nhằm giải quyết bài toán cơ điện tử về hệ thống con lắc ngược hai bánh đồng trục.

Mục tiêu nghiên cứu của đồ án bao gồm ba nhiệm vụ cốt lõi:

  1. Tính toán và thiết kế phần thân xe nhỏ gọn với chi phí tối ưu nhưng vẫn bảo đảm độ cứng vững và độ bền cơ học.
  2. Thiết kế các mạch điện tử điều khiển hệ thống phần cứng hoạt động ổn định và chính xác.
  3. Xây dựng giải thuật và lập trình điều khiển nhúng để xe có khả năng tự giữ thăng bằng và di chuyển ổn định theo ý muốn của người lái.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu được xác định cụ thể như sau:

  • Đối tượng nghiên cứu: Mô hình hóa toán học hệ thống xe hai bánh tự cân bằng trên phần mềm MATLAB/Simulink; nguyên lý điều khiển động cơ servo DC và mạch công suất driver; cấu trúc phần cứng vi điều khiển 16-bit dsPIC30F4011/4012; cảm biến quán tính MPU-6050 kết hợp thuật toán bộ lọc Kalman để ước lượng góc nghiêng; giải thuật điều khiển tự động PID.
  • Phạm vi nghiên cứu: Trọng tâm nghiên cứu là xây dựng giải thuật điều khiển cân bằng vòng kín dựa trên thuật toán PID; môi trường hoạt động giới hạn trên địa hình bằng phẳng, không gồ ghề; tải trọng thiết kế phục vụ một người điều khiển có thể trạng trung bình tại Việt Nam (không quá 80 kg; kết cấu cơ khí tính toán kiểm nghiệm tải tối đa 100 kg); vận tốc thiết kế tối đa đạt 20 km/h.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án tiếp cận bài toán điều khiển cân bằng động bằng sự kết hợp giữa lý thuyết động lực học cổ điển, lý thuyết lọc số và kỹ thuật điều khiển tự động.

Khung lý thuyết và mô hình toán học

  • Nguyên lý cân bằng và di chuyển: Hệ thống hoạt động dựa trên mô hình con lắc ngược di động hai bánh đồng trục. Trọng tâm của toàn bộ hệ thống (gồm xe và người) phải được duy trì nằm trên mặt phẳng thẳng đứng đi qua trục bánh xe. Thay vì đo lường trực tiếp tọa độ trọng tâm (vốn thay đổi theo tư thế người lái), hệ thống duy trì độ thăng bằng bằng cách kiểm soát góc nghiêng $\theta$ giữa phương trọng lực và trục đứng của khung xe vuông góc với mặt sàn. Khi người lái ngả thanh điều khiển về phía trước, hệ thống điều khiển động cơ tăng tốc chạy tới để đưa trọng tâm trở lại vị trí cân bằng; ngược lại, khi ngả về sau, xe sẽ lùi lại.
  • Mô hình toán học hệ thống: Hệ phương trình vi phân phi tuyến mô tả động học và động lực học của xe được thiết lập dựa trên định luật II Newton và phương trình cân bằng mô-men quanh trọng tâm bánh xe và thân xe. Các thông số gồm khối lượng thân xe ($M_p$), khối lượng bánh xe ($M_w$), bán kính bánh xe ($r$), khoảng cách từ trục bánh đến trọng tâm thân xe ($l$), mô-men quán tính thân xe ($I_p$), mô-men quán tính bánh xe ($I_w$), cùng các đặc tính điện - cơ của động cơ DC ($k_m, k_e, R$). Sau đó, hệ thống được tuyến tính hóa quanh điểm làm việc cân bằng thẳng đứng ($\theta \approx 0, \cos\theta \approx 1, \sin\theta \approx \theta$) để tạo tiền đề cho việc thiết kế bộ điều khiển.
  • Lý thuyết bộ lọc Kalman: Được ứng dụng để xử lý nhiễu từ cảm biến IMU (MPU-6050). Cảm biến gia tốc nhạy với các rung động cơ học tần số cao, trong khi con quay hồi chuyển (gyroscope) lại bị trôi điểm không (drift) theo thời gian. Bộ lọc Kalman tuyến tính rời rạc thực hiện thuật toán ước lượng trạng thái tối ưu theo hai chu trình lặp:
    1. Quá trình dự đoán (Time Update): Ước tính trạng thái trước và hiệp phương sai sai số dựa trên mô hình hệ thống.
    2. Quá trình hiệu chỉnh (Measurement Update): Tính toán độ lợi Kalman ($K_k$), dung hòa giữa giá trị dự đoán và giá trị đo thực tế để cập nhật trạng thái góc nghiêng và vận tốc góc chuẩn xác nhất.
  • Lý thuyết bộ điều khiển PID: Bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân - vi phân (PID) được sử dụng để tính toán điện áp điều khiển động cơ từ sai số góc nghiêng và vận tốc góc. Đồ án áp dụng hai phương pháp xác định tham số bộ điều khiển: phương pháp Ziegler-Nichols dựa trên việc xác định độ lợi tới hạn $K_{crit}$ cùng chu kỳ dao động tới hạn $T_{crit}$, kết hợp phương pháp hiệu chỉnh thực nghiệm trên mô phỏng và phần cứng thực tế.

Phương pháp nghiên cứu

Tác giả sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa mô phỏng số và thực nghiệm kỹ thuật:

  • Phương pháp tổng quan tài liệu để khảo sát các giải pháp đã công bố trên thế giới (như xe Segway thương mại, xe Balancing Scooter của Trevor Blackwell) và tại Việt Nam (nghiên cứu robot hai bánh tự cân bằng của tác giả Nguyễn Gia Minh Thảo, đề tài của tác giả Mai Tuấn Đạt).
  • Phương pháp mô hình hóa và mô phỏng trên nền tảng MATLAB/Simulink nhằm kiểm chứng đáp ứng động học của hệ thống với các điều kiện góc lệch ban đầu khác nhau trước khi triển khai phần cứng.
  • Phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (FEA) trên phần mềm CAD/CAE để tính toán ứng suất cơ học, chuyển vị và hệ số an toàn cho kết cấu khung xe.
  • Phương pháp thực nghiệm chế tạo, lắp ráp mạch phần cứng, nạp chương trình nhúng và kiểm tra thực tế khả năng giữ thăng bằng.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống xe hai bánh tự cân bằng được thiết kế và triển khai tích hợp giữa ba phân hệ chính: cơ khí, điện tử và thuật toán điều khiển nhúng.

Thiết kế phần cơ khí và động lực học

Nhóm tác giả đã tiến hành tính toán công suất động cơ với các thông số đầu vào: tổng tải trọng $m = 100\text{ kg}$ (trọng lực $P = 980\text{ N}$, mỗi bánh chịu $490\text{ N}$), vận tốc tối đa $v_{max} = 20\text{ km/h}$, đường kính bánh xe $D = 0,28\text{ m}$ (bán kính $R = 0,14\text{ m}$, chu vi $C \approx 0,88\text{ m}$).

Qua phân tích lực ma sát lăn với hệ số $k = 0,7\text{ N}$, mô-men cản lăn và tỉ số truyền hộp giảm tốc $1:15$, tốc độ quay của bánh xe được tính toán là $380\text{ vòng/phút}$, dẫn đến tốc độ trục động cơ đạt $5700\text{ vòng/phút}$. Công suất tính toán yêu cầu tối thiểu là $83\text{ W}$. Nhóm đã lựa chọn phương án an toàn với các thành phần cơ khí cụ thể:

  • Động cơ: Động cơ servo DC của hãng TAMAGAWA SEIKI, công suất định mức $200\text{ W}$, điện áp hoạt động $40\text{ V}$, tích hợp sẵn encoder quang học độ phân giải $250\text{ xung/vòng}$.
  • Bộ truyền động: Sử dụng hộp giảm tốc bánh răng công nghiệp TSUBAKI tỉ số truyền $1:15$, đảm bảo hiệu suất truyền động cao, khả năng chịu tải tốt và độ tin cậy vượt trội so với bộ truyền xích hoặc bộ truyền đai.
  • Kết cấu khung và sàn xe: Sàn xe làm bằng gỗ vững chắc, các chi tiết part đỡ chịu lực được gia công bằng thép carbon CT3.
Thông số cơ học vật liệu thép CT3 Giá trị kỹ thuật
Mô-đun đàn hồi khi kéo ($E$) $2,1 \cdot 10^6\text{ kG/cm}^2$
Mô-đun đàn hồi trượt ($G$) $0,81 \cdot 10^6\text{ kG/cm}^2$
Giới hạn chảy ($\sigma_{ch}$) $240 - 280\text{ MPa}$
Giới hạn bền ($\sigma_b$) $380 - 420\text{ MPa}$
Ứng suất cho phép lớn nhất ($[\sigma]$) $180\text{ MPa}$
Khối lượng riêng ($\gamma$) $7,83\text{ T/m}^3$
Độ dãn dài khi đứt ($\delta$) $21%$
Độ dai va đập ($a_k$) $50 - 100\text{ J/cm}^2$

Kết quả phân tích ứng suất tĩnh (FEA) đối với chi tiết part đỡ trên chịu lực $500\text{ N}$ và khung tổng thể xe chịu tải $1000\text{ N}$ ($100\text{ kg}$) cho thấy hệ số an toàn rất cao:

Chi tiết phân tích Tải trọng tác dụng Ứng suất Von Mises tối đa Độ chuyển vị tối đa Hệ số an toàn tối thiểu
Part đỡ trên $500\text{ N}$ $0,9734\text{ MPa}$ $0,0557\text{ mm}$ $7,2957\text{ ul}$
Khung xe tổng thể $1000\text{ N}$ $0,0078\text{ MPa}$ $1,902 \cdot 10^{-6}\text{ mm}$ $14,0034\text{ ul}$

Thiết kế phần điện và mạch điều khiển

Hệ thống điều khiển điện tử gồm ba khối chính:

  • Khối xử lý trung tâm: Sử dụng vi điều khiển 16-bit dsPIC30F4011 (kiến trúc DSC kết hợp DSP của hãng Microchip) với tốc độ xử lý lên đến $40\text{ MIPS}$, bộ nhớ chương trình Flash $24\text{ KB}$, RAM $1\text{ KB}$, bộ nhớ EEPROM, tích hợp bộ chuyển đổi ADC 10-bit tốc độ lấy mẫu $1\text{ Msps}$ (tối đa 10 kênh).
  • Mạch công suất Driver DC: Thiết kế theo cấu hình cầu H điều khiển động cơ servo DC, tích hợp các khối: khối nguồn cách ly, khối nhận tín hiệu điều khiển logic từ CPU, mạch điều chế độ rộng xung (PWM) và điều khiển chiều quay (CW), khối nhận phản hồi xung từ encoder, và khối cảm biến hồi tiếp dòng điện bảo vệ quá tải.
  • Khối cảm biến quán tính: Module GY-521 tích hợp IC MPU-6050 (gồm con quay hồi chuyển 3 trục và cảm biến gia tốc 3 trục), kết nối trực tiếp với dsPIC qua chuẩn giao tiếp nối tiếp $I^2C$ (tín hiệu SDA và SCL).

Triển khai thuật toán điều khiển

Chương trình nhúng được chia thành hai vòng điều khiển chính:

  1. Giải thuật đọc và lọc dữ liệu cảm biến: Tín hiệu thô từ MPU-6050 được truyền qua giao tiếp $I^2C$, chuyển đổi sang đơn vị vật lý và đưa qua bộ lọc Kalman rời rạc trên dsPIC để loại bỏ nhiễu rung động và bù trừ hiện tượng trôi điểm không, cung cấp góc nghiêng $\theta$ thực tế của xe theo thời gian thực.
  2. Giải thuật điều khiển cân bằng và vận tốc: Dựa trên sai lệch giữa góc nghiêng thực tế và giá trị đặt (setpoint từ vị trí thanh điều khiển), bộ điều khiển PID tính toán độ rộng xung PWM và hướng quay động cơ để cấp cho mạch driver, điều chỉnh vận tốc bánh xe nhằm giữ xe luôn thăng bằng và chuyển động theo ý muốn.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu chung

Chương này nêu rõ tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ nhu cầu thực tiễn về phương tiện cá nhân linh hoạt, không phát thải trong phạm vi hẹp. Tác giả xác lập rõ ràng mục tiêu nghiên cứu (thiết kế cơ khí bền vững, chế tạo mạch ổn định, lập trình điều khiển cân bằng), đối tượng nghiên cứu (mô hình toán, động cơ DC servo, dsPIC30F4011, MPU-6050, bộ lọc Kalman, PID), phạm vi giới hạn (tải trọng dưới 80 kg, mặt phẳng nhẵn), nhiệm vụ chi tiết và phương pháp luận áp dụng.

Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài

Chương 2 tổng hợp lịch sử phát triển của các phương tiện tự cân bằng trên thế giới và trong nước:

  • Trên thế giới: Phân tích mẫu xe Segway (Segway Inc., ra mắt ngày 03/12/2001 từ nền tảng iBOT của Dean Kamen) với các thông số: tốc độ tối đa $20\text{ km/h}$, nặng $36\text{ kg}$, tải trọng người $110\text{ kg}$ + hàng $34\text{ kg}$, cự ly $28\text{ km/lần sạc}$, sử dụng 10 vi xử lý, giá thành $6000\text{ USD}$. Tiếp đó là mẫu xe Balancing Scooter giá rẻ của Trevor Blackwell phát triển bằng động cơ xe lăn và ngôn ngữ Python.
  • Tại Việt Nam: Nêu bật luận văn thạc sĩ về robot hai bánh tự cân bằng dùng bộ điều khiển Backstepping của tác giả Nguyễn Gia Minh Thảo (Đại học Bách Khoa TP.HCM) và đề tài chế tạo xe hai bánh tự cân bằng của sinh viên Mai Tuấn Đạt (2005).

Chương 3: Cơ sở lý thuyết

Chương 3 trình bày các khái niệm kỹ thuật cốt lõi:

  • Phân tích nguyên lý cân bằng và nguyên lý di chuyển tiến/lùi theo độ nghiêng cần lái; so sánh động học di chuyển trên mặt phẳng nghiêng/dốc giữa xe hai bánh đồng trục với xe ba/bốn bánh.
  • Nêu rõ các ưu điểm (chạy điện sạch, nhỏ gọn, linh hoạt trong văn phòng, leo dốc nhỏ) và nhược điểm (đòi hỏi sự tập trung khi lái, không chở hai người, cự ly ngắn do giới hạn năng lượng).
  • Thiết lập chi tiết hệ phương trình toán học vi phân mô tả hệ con lắc ngược hai bánh dựa trên định luật Newton và tuyến tính hóa quanh điểm cân bằng.
  • Trình bày toán học giải thuật PID cùng các phương pháp chỉnh định Ziegler-Nichols; giới thiệu lý thuyết bộ lọc Kalman với hệ phương trình dự đoán và cập nhật trạng thái rời rạc.

Chương 4: Phương hướng và các giải pháp

Chương này đánh giá các phương án kỹ thuật để lựa chọn giải pháp tối ưu cho đề tài:

  • Bộ truyền động: So sánh giữa truyền động xích, truyền động đai và bộ truyền bánh răng (hộp giảm tốc). Tác giả chọn hộp giảm tốc bánh răng nhờ ưu điểm hiệu suất cao, tuổi thọ lớn, kích thước nhỏ gọn và độ tin cậy khi chịu tải lớn.
  • Động cơ: So sánh động cơ AC (công suất lớn, giá cao, khó điều khiển) và động cơ DC (giá thành hợp lý, dải công suất phù hợp, điều khiển vận tốc dễ dàng). Tác giả chọn động cơ DC.
  • Thiết bị điều khiển: So sánh giữa vi điều khiển 8-bit PIC16F887 và vi điều khiển 16-bit dsPIC30F4011. Tác giả quyết định chọn dsPIC30F4011 do năng lực tính toán vượt trội ($40\text{ MIPS}$), tập lệnh DSP hỗ trợ tối ưu các giải thuật lọc số Kalman và vòng lặp PID thời gian thực.
  • Cảm biến: Lựa chọn cảm biến quán tính MPU-6050.

Chương 5: Tính toán và thiết kế

Đây là chương nội dung kỹ thuật trọng tâm:

  • Tính toán cơ khí: Phân tích lực tại bánh xe ($D = 0,28\text{ m}$, tải $100\text{ kg}$, $v = 20\text{ km/h}$), tính mô-men bánh xe ($M = 2100\text{ N.mm}$), qua hộp số $1:15$ tính ra mô-men động cơ ($140\text{ N.mm}$) và tốc độ quay ($5700\text{ vòng/phút}$), từ đó tính ra công suất yêu cầu $83\text{ W}$ và chọn động cơ servo DC $200\text{ W} - 40\text{ V}$ của Tamagawa Seiki kèm hộp giảm tốc TSUBAKI tỉ số truyền $1:15$.
  • Kiểm nghiệm độ bền: Thiết lập mô hình 3D trên CAD/CAE, phân tích ứng suất Von Mises và chuyển vị cho part đỡ trên thép CT3 và khung tổng thể xe, khẳng định hệ số an toàn thỏa mãn yêu cầu tải trọng $100\text{ kg}$.
  • Thiết kế điện - điện tử: Thiết kế sơ đồ nguyên lý và layout mạch xử lý trung tâm dsPIC30F4011; thiết kế mạch driver công suất cầu H cho servo DC tích hợp bảo vệ dòng và đọc encoder; thiết kế giao tiếp module GY-521 (MPU-6050) qua chuẩn $I^2C$ và xây dựng khối tính toán bộ lọc Kalman trên vi điều khiển.

Chương 6: Thực nghiệm đánh giá

Chương cuối trình bày kết quả kiểm nghiệm:

  • Mô phỏng MATLAB/Simulink: Thiết lập sơ đồ khối hệ thống tích hợp bộ điều khiển PID; kiểm tra đáp ứng của hệ thống khi góc nghiêng ban đầu $\theta = 0$, $\theta = 1\text{ rad} \approx 60^\circ$ và khi thay đổi setpoint. Đồ án chỉ ra rằng hệ thống nhanh chóng kéo góc lệch về $0\text{ rad}$ và xác lập trạng thái cân bằng ổn định.
  • Đánh giá bộ lọc Kalman: Kết quả thu thập từ cảm biến MPU-6050 cho thấy tín hiệu góc sau khi qua bộ lọc Kalman đã triệt tiêu được các dao động nhiễu tần số cao của cảm biến gia tốc và loại bỏ sai số trôi của con quay hồi chuyển, cho tín hiệu mịn và bám sát góc nghiêng thực tế.
  • Thực nghiệm mô hình cơ khí: Lắp ráp hoàn chỉnh hệ thống cơ khí, mạch điện tử và nạp lưu đồ thuật toán điều khiển chính, kiểm nghiệm góc lệch so với vị trí cân bằng tĩnh và góc lệch khi chịu lực tác động ngoại cảnh.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  1. Thiết kế cơ khí và kiểm tra độ bền: Hoàn thành kết cấu khung xe nhỏ gọn với sàn gỗ và các chi tiết thép carbon CT3. Kết quả phân tích phần tử hữu hạn chứng minh kết cấu hoàn toàn không bị biến dạng dẻo khi chịu tải $100\text{ kg}$ (ứng suất Von Mises lớn nhất trên part đỡ chỉ đạt $0,9734\text{ MPa}$ so với giới hạn bền $240\text{ MPa}$; hệ số an toàn đạt từ $7,29$ đến $14,00$).
  2. Mô phỏng hệ thống: Xây dựng thành công mô hình toán học giải tích của xe trên MATLAB/Simulink. Bộ điều khiển PID chứng minh khả năng đưa góc lệch lớn ($\theta = 1\text{ rad} \approx 60^\circ$) về vị trí cân bằng $\theta = 0\text{ rad}$ một cách nhanh chóng và ổn định.
  3. Chế tạo phần cứng điện tử: Chế tạo thành công mạch xử lý trung tâm dùng chip 16-bit dsPIC30F4011 ($40\text{ MIPS}$) và mạch driver công suất điều khiển động cơ servo DC $200\text{ W}$, tích hợp đọc tín hiệu encoder $250\text{ xung/vòng}$ và hồi tiếp dòng điện.
  4. Xử lý tín hiệu và điều khiển thực nghiệm: Ứng dụng thành công thuật toán bộ lọc Kalman trên module MPU-6050 thông qua giao tiếp $I^2C$, giúp lọc bỏ hiệu quả nhiễu đo lường, làm đầu vào tin cậy cho thuật toán điều khiển cân bằng.

Đóng góp của đề tài

  • Tự chủ trong việc tính toán, thiết kế và chế tạo toàn bộ hệ thống cơ điện tử xe tự cân bằng trong nước với chi phí thấp hơn rất nhiều so với các sản phẩm thương mại như Segway ($6000\text{ USD}$).
  • Ứng dụng dòng vi điều khiển xử lý tín hiệu số chuyên dụng dsPIC30F4011 vào bài toán điều khiển cân bằng thực tế, kết hợp bộ lọc Kalman rời rạc với bộ điều khiển PID cho hệ phi tuyến con lắc ngược.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Xe chỉ hoạt động ổn định trên các bề mặt bằng phẳng, cứng, chưa thích nghi tốt với địa hình gồ ghề, trơn trượt hoặc mặt phẳng nghiêng lớn.
  • Tải trọng vận hành bị giới hạn cho một người (dưới 80 kg theo thiết kế khuyến nghị; kiểm tra cơ khí đến 100 kg) và không thể chở đồng thời hai người.
  • Vận tốc di chuyển và phạm vi hành trình còn hạn chế do dung lượng nguồn pin/ắc-quy trên mô hình thử nghiệm.
  • Việc điều khiển xe đòi hỏi người lái phải duy trì sự tập trung cao độ, không thể thư giãn hoàn toàn như các phương tiện 3 hoặc 4 bánh.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Lập trình tích hợp các cảm biến định vị và dẫn đường để phát triển xe thành phương tiện tự hành (AGV) chuyên chở dụng cụ, hàng hóa tự động qua các lối đi hẹp trong nhà xưởng, văn phòng.
  • Kết hợp cơ cấu chuyển động tự cân bằng hai bánh với các hệ thống robot phục vụ hoặc cánh tay robot công nghiệp nhằm tăng độ linh hoạt trong không gian hẹp.
  • Nghiên cứu áp dụng các thuật toán điều khiển hiện đại hơn (như LQR, Backstepping, trượt bán phần - Sliding Mode) để nâng cao độ bền vững của hệ thống khi gặp nhiễu ngoại cảnh lớn.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích dành cho:

  • Sinh viên và giảng viên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Tự động hóa, Kỹ thuật Cơ khí: Tham khảo quy trình thiết kế cơ điện tử khép kín từ tính toán công suất động lực, phân tích phần tử hữu hạn (FEA) kết cấu, thiết kế mạch phần cứng công suất driver DC đến lập trình vi điều khiển 16-bit dsPIC.
  • Người nghiên cứu các đề tài về Robot con lắc ngược: Cung cấp đầy đủ cơ sở toán học thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động, phương pháp tuyến tính hóa mô hình và sơ đồ mô phỏng chi tiết trên MATLAB/Simulink.
  • Kỹ sư phát triển hệ thống nhúng và xử lý tín hiệu cảm biến: Cung cấp tài liệu thực thi bộ lọc Kalman rời rạc kết hợp cảm biến gia tốc và con quay hồi chuyển MPU-6050 qua chuẩn giao tiếp $I^2C$.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhóm tác giả lại lựa chọn vi điều khiển dsPIC30F4011 thay vì dòng vi điều khiển phổ biến PIC16F887?

Dù PIC16F887 thông dụng và có giá thành rẻ hơn, nhưng đây là dòng vi điều khiển 8-bit với năng lực tính toán hạn chế, không đủ đáp ứng các phép toán dấu phẩy động phức tạp của bộ lọc Kalman và thuật toán điều khiển PID ở tần số lấy mẫu cao. Ngược lại, dsPIC30F4011 là bộ điều khiển tín hiệu số 16-bit với kiến trúc RISC đạt tốc độ xử lý $40\text{ MIPS}$, tích hợp các lệnh chuyên dụng cho xử lý số (DSP), bộ nhớ Flash $24\text{ KB}$ và ADC 10-bit tốc độ $1\text{ Msps}$, đáp ứng trọn vẹn yêu cầu điều khiển thời gian thực cho hệ thống cân bằng động.

2. Bộ lọc Kalman đóng vai trò gì trong việc xử lý tín hiệu từ cảm biến MPU-6050?

Cảm biến MPU-6050 bao gồm 3 trục gia tốc và 3 trục con quay hồi chuyển. Tín hiệu đo từ cảm biến gia tốc có xu hướng bị nhiễu động do rung chấn cơ học của xe khi chạy, trong khi tín hiệu từ con quay hồi chuyển lại bị tích lũy sai số trôi (drift) theo thời gian. Bộ lọc Kalman thực hiện việc dung hòa toán học tối ưu giữa phép đo gia tốc và vận tốc góc qua các bước dự đoán và cập nhật, triệt tiêu hoàn toàn rung nhiễu và sai số trôi, cung cấp giá trị góc nghiêng thực tế chính xác cho bộ điều khiển.

3. Kết quả phân tích ứng suất cơ học của kết cấu xe chịu tải 100 kg cho thấy điều gì?

Kết quả mô phỏng phần tử hữu hạn (FEA) trên phần mềm CAD/CAE cho thấy:

  • Chi tiết part đỡ trên (chịu lực $500\text{ N}$) có ứng suất Von Mises tối đa là $0,9734\text{ MPa}$, độ biến dạng chuyển vị lớn nhất chỉ $0,0557\text{ mm}$, đạt hệ số an toàn tối thiểu $7,2957\text{ ul}$.
  • Kết cấu khung xe tổng thể khi chịu tải $1000\text{ N}$ ($100\text{ kg}$) có ứng suất cực đại $0,0078\text{ MPa}$, độ dịch chuyển $1,902 \cdot 10^{-6}\text{ mm}$, hệ số an toàn tối thiểu lên tới $14,0034\text{ ul}$. Các giá trị ứng suất này đều nhỏ hơn rất nhiều so với giới hạn chảy của thép CT3 ($240 - 280\text{ MPa}$), đảm bảo khung xe hoàn toàn bền vững, không bị biến dạng hay nứt gãy trong quá trình vận hành.

4. Động cơ và bộ truyền động được nhóm tác giả lựa chọn dựa trên những thông số tính toán nào?

Dựa trên bài toán tải trọng $100\text{ kg}$, vận tốc tối đa $20\text{ km/h}$, đường kính bánh xe $0,28\text{ m}$ ($R = 0,14\text{ m}$), tốc độ quay bánh xe tính được là $380\text{ vòng/phút}$. Sử dụng hộp giảm tốc tỉ số truyền $1:15$, tốc độ động cơ yêu cầu là $5700\text{ vòng/phút}$ và công suất tính toán lý thuyết tối thiểu là $83\text{ W}$. Để đảm bảo hệ số dự phòng mô-men khởi động và gia tốc, nhóm đã lựa chọn động cơ servo DC của TAMAGAWA SEIKI với công suất định mức $200\text{ W}$, điện áp $40\text{ V}$, tích hợp encoder $250\text{ xung/vòng}$ kết hợp hộp giảm tốc bánh răng TSUBAKI $1:15$.

5. Xe hai bánh tự cân bằng điều khiển các trạng thái tiến, lùi và dừng lại theo nguyên lý nào?

Xe hoạt động dựa trên sự thay đổi vị trí góc nghiêng của thanh điều khiển:

  • Khi đẩy thanh điều khiển nghiêng về phía trước, trọng tâm hệ thống bị lệch về phía trước; bộ điều khiển xuất tín hiệu PWM điều khiển động cơ quay tiến để đưa bánh xe chạy về phía trước nhằm cân bằng lại trọng tâm.
  • Khi kéo thanh điều khiển nghiêng về phía sau, trọng tâm bị lệch về sau; động cơ được điều khiển quay lùi để kéo xe lùi lại giữ thăng bằng.
  • Khi muốn giảm tốc hoặc dừng xe, người lái chỉ cần kéo thanh điều khiển theo chiều ngược lại với hướng đang di chuyển để triệt tiêu quán tính.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế và chế tạo xe hai bánh tự cân bằng" của sinh viên Hoàng Minh Nhật và Trần Đức Tấn đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu đặt ra từ nghiên cứu lý thuyết, mô hình hóa toán học đến chế tạo phần cứng cơ - điện tử thực tế. Nghiên cứu đã chứng minh tính đúng đắn của việc ứng dụng bộ lọc Kalman trong xử lý tín hiệu cảm biến MPU-6050 kết hợp giải thuật PID trên vi điều khiển dsPIC30F4011 để điều khiển cân bằng hệ con lắc ngược hai bánh đồng trục. Kết quả đạt được là nền tảng kỹ thuật vững chắc để phát triển các phương tiện di chuyển cá nhân thân thiện với môi trường cũng như các robot tự hành vận chuyển trong không gian công nghiệp.