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.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.3 HTV [18] Trang 12 SVTH: Mai Tuấn Đạt Chương 1 Tổng quan Nhóm sinh viên ngành kỹ thuật HTV của trường đại học Camosun gồm các thành viên Brian Beckwith, Eric Desjardins, Chris Howard, Joel Murphy, Matt Uganecz, Jack Woolley đến từ các bang khác nhau Victoria, British Columbia của Canada. Tháng 3/2004, họ đã cho ra đời sản phẩm scooter HTV như một đề án tốt nghiệp đại học của họ.16 Xe tự cân bằng HTV và nhóm thực hiện Nhóm HTV đã sử dụng ADXR150EB từ thiết bị analog đo vận tốc góc nghiêng. Đó là một gyro tuyệt vời, có các tính năng, như: loại bỏ độ rung cao, tỉ số cao ±150o/s, độ nhạy cao 12mV/deg/s, được cài đặt sẵn tín hiệu điều kiện. MMA2260D từ Motorola, một gia tốc kế có độ nhạy cao (1200mV/g), và cũng được cài đặt sẵn tín hiệu điều kiện, dùng đo góc nghiêng tĩnh.
Bộ điểu khiển sử dụng Logic mờ (Fuzzy Logic) trong việc điều khiển cân bằng và di chuyển của xe.4 Spider [20] Francisco Lobo cho ra đời Spider vào cuối tháng 2/2004, trông giống là scooter hơn là robot, tuy nhiên nó có ứng dụng trong cả hai lĩnh vực. Nó có thể giữ cân bằng hầu như ở mọi tình huống, di chuyển, lượn vòng quanh. Scooter được điều khiển bằng hai động cơ của hãng NPC và gia tốc kế hai trục bằng thiết bị analog, chứa hai thành phần chính: Gyro kỹ thuật cảm biến silicon và BasicX (vi điều khiển). Khung xe được chế tạo từ khung nhôm và sợi carbon.
Bộ lái MOSFET động cơ lái là module từ Roboteq được dùng trên robot chiến đấu. Nguồn điện là loại dùng Hình 1.17 Spider trong mô hình RC (NiMh 3000mAh).7 Nhu cầu thực tế Hiện tại, trong điều kiện đường xá giao thông ngày càng chật hẹp, không khí ngày càng ô nhiễm, việc nghiên cứu và chế tạo một mô hình xe điện gọn nhẹ, dễ xoay Trang 13 SVTH: Mai Tuấn Đạt Chương 1 Tổng quan xở, không sử dụng nhiên liệu đốt trong là một nhu cầu thực sự. Bên cạnh đó, thiết kế một platform cho mobile robot cũng là một đề tài cần thiết trong lĩnh vực tự động hóa ngày nay, nhằm trợ giúp cho trẻ em, người già, vận chuyển hàng hóa, giám sát … trong cuộc sống hàng ngày vốn có nhiều nhu cầu trong việc đi lại và vận chuyển tại các thành phố lớn. Về khía cạnh khoa học và công nghệ, mô hình xe hai bánh tự cân bằng thực sự là một bước đệm quan trọng để có kinh nghiệm trong việc tính toán, mô hình và chế tạo các robot hai chân (biped-robot, humanoid robot), là đỉnh cao về khoa học và công nghệ mà các trường đại học trên toàn thế giới mong muốn vươn tới.
Ngoài ra, mô hình cũng sẽ là sự bổ sung cần thiết về các giải pháp công nghệ di chuyển của các mobile robot 3 bánh, 4 bánh cũng như mobile robot có chân, làm phong phú những lựa chọn giải pháp để chuyển động trong không gian cho các robot. Về yếu tố tâm lý con người, mô hình xe hai bánh tự cân bằng thực sự là một dấu chấm hỏi lớn cho những người từng thấy hay dùng nó: tại sao có thể di chuyển và thăng bằng được? Điều này cuốn hút nhu cầu được sử dụng một chiếc xe hai bánh tự cân bằng. Và đó chính là lý do của sự thành công lớn trên thế giới của mô hình xe Segway trong năm 2003. Vớí những lý do khách quan như đã nếu, đề tài có lẽ có một nhu cầu nhất định trong tình hình hiện nay của Việt Nam cũng như toàn thế giới.
Trang 14 SVTH: Mai Tuấn Đạt Chương 2 Nhiệm vụ luận văn Chương 2 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN 2.1 Mục tiêu đề tài Mục tiêu của đề tài là xây dựng phương tiện xe hai bánh cân bằng di chuyển trên địa hình phẳng, dựa trên nền tảng lý thuyết mô hình con lắc ngược. Khả năng di chuyển cân bằng trên hai bánh làm phương tiện di chuyển hiệu quả và linh động hơn, dễ dàng xoay trở trong điều kiện không gian chật hẹp. Trong khuôn khổ 16 tuần thực hiện luận văn tốt nghiệp đại học, những mục tiêu của đề tài được đề ra như sau: − Tìm hiểu về các loại scooter, nguyên lý cơ bản về cân bằng. − Tính toán các tham số động lực học, hàm trạng thái (space-state) của mô hình.
− Xây dựng mô phỏng trên MSc Nastran và Matlab 7-Simulink. − Thiết kế bản vẽ, chế tạo mô hình theo kích thước thực, có thể vận chuyển một người trưởng thành. − Thiết kế mạch điều khiển trung tâm, làm nhiệm vụ xử lý tín hiệu đo và đưa ra các quyết định điều khiển.