Thiết kế xe hai bánh tự cân bằng điều khiển bằng bluetooth

Khi nói về robot, thì chắc hẳn trong mỗi người chúng ta sẽ hình dung tới một người máy với khả năng giống hệt như con người trong các bộ phim về khoa học viễn tưởng. Thực ra robot không đơn thuần chỉ là một người máy, robot thực chất được hiểu như là một hệ thống máy móc có khả năng làm việc tự động thông qua việc điều khiển bằng các vi mạch điện tử được lập trình sẵn. Người máy đơn giản chỉ là robot có hình thù giống như con người và là một phần rất nhỏ trong lĩnh vực Robotics. Robot có thể tồn tại ở nhiều dạng khác nhau như: máy cơ khí, máy nhân tạo,... ngoài ra còn tồn tại ở trường hợp đặc biệt là robot ảo. Ví dụ: robot sumo, robot 2 bánh tự cân bằng điều khiển bằng arduino,... Nhóm chúng em đã tìm hiểu về các loại robot khác nhau, và cuối cùng nhóm quyết định chọn mô hình robot xe hai bánh tự cân bằng và điều khiển được thông qua bluetooth làm đề tài thực hiện nghiên cứu và chế tạo. Mô hình robot của nhóm sử dụng các module mạch nhỏ gọn, dễ dàng sử dụng và lắp đặt. Cùng với vi xử lý Arduino Mega 2560 R3 khá phổ biến trên thị trường hiện nay giúp cho người dùng có thể thỏa sức sáng tạo và phát triển các ứng dụng theo nhu cầu trên nên board Ardunio này. Kết thúc quá trình thiết kế, mô hình robot xe hai bánh tự cân bằng điều khiển bằng bluetooth của nhóm có khả năng giữ cân bằng ổn định và di chuyển linh hoạt.Qua đề tài, nhóm đã hiểu cách điều khiển hệ thống ổn định bằng bộ điều khiển PID, nguyên lý và cách sử dụng cảm biến góc nghiêng, modul bluetooth cũng như cách lập trình cho board Arduino. Đồ án này trình bày bao gồm lý thuyết, thuật toán được áp dụng và cả phần cứng: Arduino Mega 2560, cảm biến góc nghiêng MPU6050, module bluetooth HC06, module L298 mini, mạch hạ áp LM 2596, …

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM

TP HỒ CHÍ MINH KHOA CÔNG NGHỆ CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ 1

THIẾT KẾ XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG

ĐIỀU KHIỂN BẰNG BLUETOOTH

GVHD:NGUYỄN HỮU THỌ

SVTH: NHÓM 1

1: LÊ ĐỨC HUY MSSV: 2025160093 LỚP: 07DHCDT1 2: NGUYỄN VĂN LONG MSSV: 2025160046 LỚP:07DHCDT1 3: PHẠM TẤN PHÁT MSSV: 2025160112 LỚP: 07DHCDT1 4: LÊ PHẨM TÂN MSSV: 2025160039 LỚP: 07DHCDT1 5: ĐÀO THANH TÙNG MSSV: 2025160135 LỚP: 07DHCDT2

TP.HCM Tháng 12 Năm 2018

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Ngành: Công nghệ kỹ thuật Cơ Điện Tử

Tên đề tài: THIẾT KẾ XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG ĐIỀU KHIỂN

BẰNG BLUETOOTH

Giáo viên hướng dẫn: NGUYỄN HỮU THỌ

NHẬN XÉT

1 Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:

2 Ưu điểm:

3 Khuyết điểm:

4 Đề nghị cho bảo vệ hay không?

5 Đánh giá loại:

6 Điểm: (Bằng chữ: )

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng 12 năm 2018

Giáo viên hướng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên)

LỜI MỞ ĐẦU

Khi nói về robot, thì chắc hẳn trong mỗi người chúng ta sẽ hình dung tới mộtngười máy với khả năng giống hệt như con người trong các bộ phim về khoa học viễntưởng Thực ra robot không đơn thuần chỉ là một người máy, robot thực chất được hiểunhư là một hệ thống máy móc có khả năng làm việc tự động thông qua việc điều khiểnbằng các vi mạch điện tử được lập trình sẵn Người máy đơn giản chỉ là robot có hình thùgiống như con người và là một phần rất nhỏ trong lĩnh vực Robotics Robot có thể tồn tại

ở nhiều dạng khác nhau như: máy cơ khí, máy nhân tạo, ngoài ra còn tồn tại ở trườnghợp đặc biệt là robot ảo Ví dụ: robot sumo, robot 2 bánh tự cân bằng điều khiển bằngarduino,

Nhóm chúng em đã tìm hiểu về các loại robot khác nhau, và cuối cùng nhómquyết định chọn mô hình robot xe hai bánh tự cân bằng và điều khiển được thông quabluetooth làm đề tài thực hiện nghiên cứu và chế tạo Mô hình robot của nhóm sử dụngcác module mạch nhỏ gọn, dễ dàng sử dụng và lắp đặt Cùng với vi xử lý Arduino Mega

2560 R3 khá phổ biến trên thị trường hiện nay giúp cho người dùng có thể thỏa sức sángtạo và phát triển các ứng dụng theo nhu cầu trên nên board Ardunio này

Kết thúc quá trình thiết kế, mô hình robot xe hai bánh tự cân bằng điều khiển bằngbluetooth của nhóm có khả năng giữ cân bằng ổn định và di chuyển linh hoạt.Qua đề tài,nhóm đã hiểu cách điều khiển hệ thống ổn định bằng bộ điều khiển PID, nguyên lý vàcách sử dụng cảm biến góc nghiêng, modul bluetooth cũng như cách lập trình cho boardArduino

Đồ án này trình bày bao gồm lý thuyết, thuật toán được áp dụng và cả phần cứng:Arduino Mega 2560, cảm biến góc nghiêng MPU6050, module bluetooth HC-06, moduleL298 mini, mạch hạ áp LM 2596, …

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG 1

1.1 Lịch sử hình thành và phát triển robot 1

1.2 Mục tiêu đề tài 1

1.3 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu 2

1.4 Mô hình xe hai bánh tự cân bằng điều khiển bằng blutooth 2

CHƯƠNG 2.THIẾT KẾ HỆ THỐNG 6

2.1 Khối nguồn 6

2.2 Khối điều khiển 6

2.3 Khối chấp hành 7

2.4 Khối điều khiển 7

2.5 Khối Nguồn và mạch khuếch đại dòng điện 24

CHƯƠNG 3.NHIỆM VỤ VÀ PHƯƠNG ÁN THỰC HIỆN MÔ HÌNH XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG 25

3.1 Nhiệm vụ thực hiện mô hình xe hai bánh tự cân bằng 25

3.2 Xây dựng mô hình lý thuyết robot 2 bánh tự cân bằng và tính toán các thông số PID .27

CHƯƠNG 4.THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN MÔ HÌNH 29

4.1 Thiết kế phần cứng 29

4.2 Lưu đồ giải thuật điều khiển 33

4.3 Thiết kế phần mềm 34

CHƯƠNG 5.KẾT LUẬN ĐỒ ÁN 43

5.1 Ưu điểm 43

5.2 Nhược điểm 43

5.3 Hướng phát triển 43

CHƯƠNG 6.BẢN VẼ HÌNH CHIẾU SỬ DỤNG SOLIDWORKS 44

TÀI LIỆU THAM KHẢO 45

Trong suốt quá trình thực hiện đề tài, mặc dù gặp phải nhiều khó khăn nhưng được

sự giúp đỡ, hỗ trợ kịp thời từ Thầy Cô và các bạn nên đồ án đã được hoàn thành đúngtiến độ Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Hữu Thọ đã tận tình hướng dẫn,truyền đạt kinh nghiệm cũng như hỗ trợ phương tiện chế tạo trong suốt quá trình tìmhiểu, nghiên cứu đề tài

Chúng em cũng xin cảm ơn các thành viên trong lớp 07DHCDT đã có những ýkiến đóng góp, bổ sung, cũng như động viên khích lệ giúp chúng em hoàn thành tốt đềtài

Mặc dù nhóm thực hiện đề tài đã cố gắng hoàn thiện được đồ án, nhưng trong quátrình soạn thảo cũng như kiến thức còn hạn chế nên có thể còn nhiều thiếu sót Nhómthực hiện đề tài mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô cùng các bạn sinhviên

Sau cùng nhóm thực hiện xin chúc Thầy Cô sức khoẻ, thành công và tiếp tục đàotạo những sinh viên giỏi đóng góp cho đất nước Chúc các anh (chị), các bạn sức khỏe,học tập thật tốt để không phụ công lao các Thầy Cô đã giảng dạy Nhóm thực hiện xinchân thành cảm ơn

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Sơ đồ khối của hệ thống 6

Hình 2.2 Động cơ và bánh xe 7

Hình 2.3 Module điều khiển động cơ L298 mini 7

Hình 2 4 Mạch cầu H 9

Hình 2 5 Mạch cầu H gồm 4 công tắc 9

Hình 2.6 Điều chỉnh dòng điện chạy trong mạch cầu H 10

Hình 2.7 Sơ đồ tổng quát mạch cầu H sử dụng BJT 10

Hình 2.8 Dòng điện chạy trong mạch cầu khi A ở mức LOW và B ở mức HIGH 11

Hình 2.9 Dòng điện chạy trong mạch cầu khi B ở mức LOW và A ở mức HIGH 12

Hình 2 10 Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H 13

Hình 2.11 Mạch Arduino R3 15

Hình 2 12 Mạch điều khiển máy in 3D RAMPS 1.4 16

Hình 2.13 Arduino Mega 2560 R3 17

Hình 2.14 Mở rộng cánh cửa với IoT 17

Hình 2 15 Phần mềm arduino 1.8.7 18

Hình 2 16 Module cảm biến góc gia tốc MPU6050 GY-521 19

Hình 2.17 Cấu tạo và công dụng chân của MPU6050 20

Hình 2 18 Module cảm biến Bkuetooth HC 06 22

Hình 2 19 Kết nối Arduino với HC-06 23

Hình 2.20 Khối nguồn và mạch khuếch đại 24

Hình 3 1 Quãng đường xe chạy được 25 Hình 3.2 Cấu trúc bộ điều khiển PID cho hệ robot hai bánh tự cân bằng 27 Hình 4 1 Mô hình 3D 29

Hình 4 3 Sơ đồ kết nối xe 2 bánh tự cân bằng bằng phần mềm 31

Hình 4.4 Giao diện ứng dụng điều khiển xe 2 bánh tự cân bằng bằng bluetooth 32

Hình 4 5 Lưu đồ giải thuật điều khiển 33

Hình 4 6 Sản phẩm đầu tiên 42

Hình 4 7 Sản phẩm xe hai bánh tự cân bằng 42

Hình 6 1 Mô hình 3 hình chiếu xe tự cân bằng 44 Hình 6.2 Động cơ NF5475 và bản vẽ chi tiết 45

Hình 6.3 Bánh xe không giảm tốc và bản vẽ chi tiết 46

Hình 6.4 Gá đỡ động cơ và bản vẽ chi tiết 47

Hình 6 5 Trụ đồng cái cái và bản vẽ chi tiết 48

Hình 6.6 Hình ảnh khung mica trên và bản vẽ chi tiết 49

Hình 6.7 Hình ảnh khung mica dưới và bản vẽ chi tiết 50

Hình 6.8 Hình ảnh và bản vẽ pin lipo 51

KÍ HIỆU CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT NẾU CÓ

LED Diode phát quang

3G Công nghệ truyền thông hệ thứ 3

GPRS Dịch vụ vô tuyến trọn gói

GPS Hệ thống định vị toàn cầu

ICSP In Circuit Serial Programming

(trong lập trình nối tiếp mạch)IoT Internet Vạn Vật

ADC Mạch chuyển đổi tương tự ra số

ERD Enhanced datarate

(Tốc độ dữ liệ nâng cao)Pair Ghép cặp

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH XE HAI BÁNH TỰ

CÂN BẰNG

1.1 Lịch sử hình thành và phát triển robot

Vậy đã bao giờ các bạn tự hỏi robot bắt nguồn từ đâu chưa? Chắc hẳn nhiều bạn sẽnghĩ robot mới chỉ xuất hiện cách đây không lâu hoặc thậm chí một số bạn còn nghĩ robotmới chỉ đang nằm trong trí tưởng tượng của con người Thực ra không phải vậy, robotxuất hiện từ rất sớm, từ tận thế kỉ III trước công nguyên Thời bấy giờ, Chu Mục Vương

và một người nữa là YanShi đã phác thảo ra các ý tưởng về máy tự động và cơ khí đầutiên YanShi sau đó đã chế tạo ra một cỗ máy và trở thành nhà chế tạo đầu tiên trên thếgiới Xuyên suốt thời cổ đại và thời trung cổ, robot liên tục xuất hiện với các ví dụ nhưchim máy bằng gỗ với khả năng bay lượn và hoạt động bằng hơi nước Một số ví dụ khác

có thể kể tới là các bản phác thảo về người máy, robot vịt cơ khí với chức năng ăn uống,

vỗ cánh và bài tiết và nhiều robot mô phỏng sinh vật khác được chế tạo

Tới năm 1927, robot điện tử lần đầu tiên xuất hiện trên phim ảnh Năm 1948, cácnguyên lý nền tảng về robot và tự động hoá được đưa ra, tạo tiền đề cho robot học saunày Cho tới năm 1961, robot điện tử đầu tiên trên thế giới ra đời, được đặt tên làUnimate, với tác dụng nâng phần nóng của miếng kim loại từ một máy đúc chết ra và sắpxếp lại theo trật tự nhất định Đó quả thực là một cột mốc vĩ đại cho kỷ nguyên robot củacon người

Ngày nay, robot đã và đang phát triển mạnh mẽ và được ứng dụng rộng rãi trongđời sống và sản xuất, các cường quốc thế giới về robot phải kể tới Mỹ và Nhật Robotthương mại và robot công nghiệp ngày càng trở nên phổ biến với giá cả phải chăng và độchính xác cao hơn nhiều so với thời kì trước Một số robot còn được sử dụng để thay thếcon người làm việc trong các môi trường có độ ô nhiễm mạnh Bên cạnh đó, robot cònđược sử dụng trong việc thăm dò vũ trụ, lòng đất hoặc làm các công việc mang tính đơnđiệu Các ngành công nghiệp chế tạo cũng có sự góp mặt không nhỏ của robot Robotcũng được ứng dụng trong phẫu thuật, thăm dò và trong các dây chuyền sản xuất hàngloạt

1.2 Mục tiêu đề tài

1 Nghiên cứu về board Ardunio Mega 2560 R3

2 Tìm hiểu về cảm biến gia tốc và cảm biến góc

3 Tìm hiểu về thuật toán cân bằng

4 Xây dựng mô hình và viết chương trình điều khiển

1.3 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng

1 Board Arduino Mega 2560 R3

2 Cảm biến gia tốc MPU 6050

3 Module điều khiển động cơ L298 Mini

4 Module Bluetooth HC-06

- Phạm vi nghiên cứu

1 Code chạy chương trình

2 Ứng dụng vào thực tiễn

1.4 Mô hình xe hai bánh tự cân bằng điều khiển bằng blutooth

- Đôi nét về lịch sử hình thành mô hình xe hai bánh tự cân bằng

Xe hai bánh tự cân bằng đặt chân vào thị trường Việt Nam vào khoảng năm 2007nhưng có vẻ chỉ những năm gần đây thì nó mới thực sự trở nên phổ biến Những thế hệđầu tiên của loại xe điện 2 bánh tự cân bằng này được sản xuất bởi công ty Segway Inc

có trụ sở tại Hoa Kỳ Segway PT (viết tắt của Segway Personal Transporter - Xe cá nhânSegway), thường được gọi tắt là Segway là một phương tiện giao thông cá nhân có haibánh, hoạt động trên cơ chế tự cân bằng do Dean Kamen phát minh Loại xe này đượcsản xuất bởi công ty Segway Inc ở bang New Hampshire, Hoa Kỳ Từ "Segway" phát

âm gần giống với "segue" (một từ gốc tiếng Ý có nghĩa "di chuyển nhẹ nhàng")

Đặc điểm nổi bật của Segway là cơ chế tự cân bằng nhờ hệ thống máy tính, động

cơ và con quay hồi chuyển đặt bên trong xe, nó giúp cho xe dù chỉ có một trục chuyểnđộng với hai bánh nhưng luôn ở trạng thái cân bằng, người sử dụng chỉ việc ngả về đằngtrước hoặc đằng sau để điều khiển xe đi tiến hoặc đi lùi Với các điều khiển sang phảihoặc sang trái, Segway có một cần lái gọi là "Lean Steer" - muốn điều khiển sang phảihoặc sang trái chỉ cần nghiêng cần lái về phía đó Động cơ của Segway PT có thể đạt tốc

độ 5,6 m/s (hay 20 km/h) Do có giá thành khá cao và mới chỉ thích hợp ở các địa điểmbằng phẳng nên Segway PT hiện chủ yếu được sử dụng ở các sở cảnh sát, căn cứ quân

sự, cơ sở sản xuất hoặc khu công nghiệp

Thông tin về một loại xe mang tính cách mạng trong giao thông cá nhân bắt đầu từđầu năm 2001, ban đầu loại xe này được gọi bằng cái tên Ginger hoặc IT và nó được pháttriển từ dự án xe lăn tự leo cầu thang iBOT của Dean Kamen Bình luận về giá trị của dự

án này, Steve Jobs đã cho rằng nó "có ý nghĩa lớn như sự ra đời của PC" nhưng ông cũngchê bai thiết kế của Ginger khi cho rằng chiếc xe trông không thanh lịch và không thânthiện với người dùng Công nghệ cân bằng cho hai bánh của Ginger được báo chí dựđoán là sẽ dựa trên động cơ Stirling hoặc cơ chế phản hấp dẫn.

Chiếc xe ra mắt lần đầu trước công chúng Mỹ vào ngày 3 tháng 12 năm 2001 trênchương trình Good Morning America của đài ABC Đến tháng 9 năm 2003 nó được đổitên thành Segway PT sau khi một phần mềm mới được sử dụng cho hệ thống máy tínhcủa xe để khắc phục lỗi thiếu cơ chế báo cạn năng lượng dễ gây nguy hiểm cho ngườidùng Phần mềm mới cho phép Segway tự động chạy chậm và dừng khi năng lượng củapin nhiên liệu bắt đầu cạn

Trong năm 2003 công ty Segway Inc đã bán được 6.000 sản phẩm Tính cho đếntháng 9 năm 2006 đã có khoảng 23.500 Segway được bán ra Tháng 5 năm 2006 SegwayInc thông báo rằng chính quyền thành phố Chicago đã ký với họ một hợp đồng 20 năm

có giá trị 580.000 USD nhằm mua 30 Segway PT phục vụ cho các cơ sở công ích củathành phố như cảnh sát, cứu hỏa, đây là hợp đồng lớn nhất mà Segway Inc được ký vớicác chính quyền thành phố

Tháng 8 năm 2006, Segway cho ngừng sản xuất các mẫu cũ để cho ra đời Segwaythế hệ hai gồm 2 dòng sản phẩm i2 và x2, cho phép người dùng sử dụng một cần lái đểđiều khiển sang phải hoặc sang trái bằng cách nghiêng cần lái về phía đó, tương tự vớicách thức điều khiển xe đi tiến hoặc đi lùi Một tháng sau đó, khách hàng của toàn bộ23.500 xe Segway được hãng Segway Inc đề nghị thu hồi để lắp thêm một phần mềmmới nhằm khắc phục lỗi của hệ thống bánh xe có thể hất người dùng khỏi Segway khi sửdụng ở vận tốc tối đa

Các thế hệ Segway thứ nhất (ra đời năm 2003) bao gồm:

- Segway HT i167 và Segway HT e167: Đây là hai dòng sản phẩm đầu tiên của

Segway Khác biệt giữa hai dòng là e167 có khả năng tự cân bằng ngay cả khikhông có người lái nhờ áp dụng hệ thống Electronic Kickstand HT là từ viếttắt của Human Transporter

- Segway HT p13: Dòng sản phẩm có công nghệ tương tự dòng i và e nhưng

nhỏ hơn và có động cơ yếu hơn

- Segway XT: Tương tự các dòng trên nhưng được thiết kế chuyên cho mục

đích giải trí

- Các thế hệ Segway thứ hai (ra đời năm 2006) bao gồm:

- Segway PT i2: Lần đầu sử dụng các bánh lái LeanSteer và công nghệ InfoKey.

- Segway PT x2: Chuyên dụng cho các mục đích giải trí như đánh golf (thay thế

dòng XT cũ)

- Các dòng i2 và x2 có trọng lượng tương ứng là 48 và 54 kg.

Trong những năm gần đây xu hướng toàn cầu định hướng cho tương lai, kỉ nguyêncủa IOT (vạn vật kết nối) đã thúc đẩy cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 như một tất yếuđòi hỏi các nhà nghiên cứu, nhà sản xuất từng bước cải tiến, ngày càng một hiên đại hơnđáp ứng xu thế kết nối mở, đa tầng Đó chính là tình hình thế giới nói chung còn đối vớiViệt Nam nói riêng cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 hay cách mạng công nghiệp lần thứ

4 như một xu thế mà Việt Nam cần phải nắm bắt thời cơ cùng với thế giới

Thực tế đã chứng minh rằng, sự tiến bộ trong máy tính, nguồn nhân lực đầy tiềmnăng và trí thông minh nhân tạo sẽ làm cho những chiếc xe này ở hiện tại và tương lai sẽngày càng một hiện đại, ngày càng đáp ứng được nhu cầu sử dụng của con người trongđời sống và phục vụ trong công nghiệp sản xuất Những chiếc xe hai bánh tự cân bằngnày hứa hẹn sẽ có một tương lai bùng nổ mạnh mẽ ở Việt Nam nói riêng và thế giới nóichung

- Đôi nét về sự phát triển của mô hình xe hai bánh tự cân bằng.

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, việc ứng dụng khoa học chếtạo robot phục vụ nhu cầu sản xuất và nâng cao chất lượng cuộc sống con người đang làvấn đề được các nhà nghiên cứu quan tâm và cải tiến

- Mô hình xe hai bánh tự cân bằng có những ưu điểm như sau:

- Nhỏ gọn, linh hoạt, thân thiện với môi trường

- Không ô nhiễm, sử dụng bộ nguồn là Pin, có thể sạc điện

- Sử dụng không gian hiệu quả, đa năng (sử dụng ở mọi ngóc ngách)

- Dễ điều khiển, chiếm ít diện tích, hoàn thành có thể trở thành một phương tiệnvận chuyển và tham gia giao thông

Với khả năng tự cân bằng trên 2 bánh, loại robot này đang được cải tiến và chế tạothành phương tiện giao thông trong tương lai Việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo môhình robot tự cân bằng nhằm hướng tới phát triển các phương pháp điều khiển hiện đại đểnâng cao chất lượng điều khiển cho robot và ứng dụng robot vào sản xuất và đời sống làcần thiết và có ý nghĩa thực tiễn

- Nhược điểm của mô hình xe hai bánh tự cân bằng

Bên cạnh những ưu điểm thì còn có những nhược điểm hạn chế của xe như sau:

- Hai động cơ motor còn yếu chưa thể vực được thân xe lên khi bị đổ

- Xe hai bánh không đủ nhanh để di chuyển nhanh như xe thông thường khác

- Thiết kế cơ khí với khung bằng nhựa cứng nên còn nhiều điểm hạn chế

- Xe đi tốt trên địa hình bằng phẳng nhưng nếu đi xe vào địa hình phức tạp xe khó thể

di chuyển và có hiện tượng bị lật xe.

Tính ứng dụng được trong thực tế

Xây dựng được một phương tiện vận chuyển mới trong khu vực chật hẹp có thể dichuyển trong các chung cư, tòa nhà cao tầng, dùng để di chuyển về mặt con người và vậnchuyển hàng hóa

Làm phương tiện vận chuyển hàng hóa đến những nơi đã được lập trình sẵn ởtrong các tòa nhà, phòng làm việc, những không gian chật hẹp…

Kết hợp thêm các robot camera, robot dò đường… thì tính ứng dụng vào thực tế đượcđáp ứng cao theo nhu cầu công việc

Khả năng hiên tại của mô hình xe hai bánh tự cần bằng

Nhìn chung mô hình hoạt động khá ổn định, di chuyển nhanh và có độ nhạy gócnghiêng của xe so với mặt nền chạy là tương đối cao Tùy theo độ nghiêng của mặt nền

mà xe có thể chạy theo hướng nghiêng đó Khi có tác động từ bên ngoài vào thân xe đểlàm cho thân xe mất độ ổn định thì xe nhanh chóng quay về trạng thái cân bằng để giữcho thân xe ổn định

Robot hai bánh tự cân bằng là một trong những sản phẩm thực áp dụng nguyên lý

mô hình con lắc ngược Việc nghiên cứu, phát triển robot hai bánh tự cân bằng có thể tạotiền để cho sự phát triển của robot trong tương lai, hướng đến mục tiêu xây dựng nhữngrobot có hình dạng, cách thức di chuyển hay thậm chí là có suy nghĩ giống con người.Mục tiêu của đề tài là xây dựng một robot có cấu trúc đơn giản phục vụ cho việc nghiêncứu, giảng dạy, đưa ra một mô hình thực tế, đơn giản về việc xây dựng một hệ thống cơđiện tử

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG

2.1 Khối nguồn

Sử dụng PIN LIPO 2200mAh 11.1V

2.2 Khối điều khiển

Xuất tín hiệu đến khối chấp hành theo chương trình đã được thiết lập sẵn Bao gồm: Arduino Mega 2560 R3, Module L298 mini, Module MPU-6050, Module Bluetooth HC06

Hình 2.1 Sơ đồ khối của hệ thống

2.4 Khối điều khiển

2.4.1 Mạch điều khiển động cơ sử dụng module L298 mini

2.4.1.1 Giới thiệu về module L298 mini

2.4.1.2 Thông số kĩ thuật

1 Mạch điều khiển động cơ cầu H có thể điều khiển hai động cơ DC hoặc mộtđộng cơ bước, tăng giảm tốc độ và đảo chiều dựa vào PWM

2 Điện áp cung cấp: 2-10VDC

3 Điện áp đầu vào tín hiệu là 1.8-7V

4 Mỗi kênh có dòng chịu tải tối đa 2.5A

5 Khi lỗi đầu vào: động cơ sẽ dừng hoạt động

6 Tích hợp bảo vệ quá nhiệt

7 Kích thước sản phẩm: 31 * 32 * 5mm (chiều dài, chiều rộng và chiều cao),kích thước nhỏ, thích hợp cho lắp ráp và xe

8 Đường kính lỗ: 2 mm

9 trọng lượng: tiêu chuẩn 5g, cao với 11g

 Ghi chú:

1 Ngược cực sẽ gây hư hỏng mạch, cần lưu ý

2 Mạch quá điện áp 10V hoặc quá tải (lớn hơn 2.5A mỗi kênh) sẽ bị hỏng

2.4.1.3 Cấu tạo

 Các chân tín hiệu

1 Cắm dây nguồn cung cấp điện áp cho motor từ 2V đến 10V

2 Cắm dây GND của nguồn

Module L298 mini là một module điều khiển động cơ, động cơ ở đây là động cơ

DC Để linh hoạt trong việc giữ ổn định cho xe được cân bằng thì động cơ phải đảo chiềuquay liên tục nhờ mạch cầu H được tích hợp trong module điều khiển động cơ L298 mini

Mặt khác, để kiểm soát hướng quay, chúng ta chỉ cần đảo chiều hướng dòng điệnmột chiều qua động cơ, và phương pháp phổ biến nhất là sử dụng một cầu H Một mạchH-Bridge chứa bốn thành phần chuyển mạch, bóng bán dẫn hoặc MOSFET, với động cơ

ở trung tâm tạo thành một cấu hình giống H Bằng cách kích hoạt hai thiết bị chuyểnmạch cụ thể cùng một lúc, chúng ta có thể thay đổi hướng dòng điện hiện tại, do đó thayđổi hướng quay của động cơ

Hình 2 4 Mạch cầu H

Vì vậy, nếu chúng ta kết hợp hai phương pháp này, PWM và H-Bridge, chúng ta

có thể có một sự kiểm soát hoàn toàn trên động cơ DC Có rất nhiều trình điều khiểnđộng cơ DC có các tính năng này và module L298 mini là một trong số đó

2.4.1.4 Giới thiệu về mạch cầu H

Hình 2 5 Mạch cầu H gồm 4 công tắc Xét một cách tổng quát, mạch cầu H là một mạch gồm 4 "công tắc" được mắctheo hình chữ H Bằng cách điều khiển 4 "công tắc" này đóng mở, ta có thể điều khiểnđược dòng điện qua động cơ cũng như các thiết bị điện tương tự

-+

+12V

Đây là sơ đồ tổng quát của một mạch cầu H sử dụng transistor BJT

Hình 2.7 Sơ đồ tổng quát mạch cầu H sử dụng BJT

Trong sơ đồ này, A và B là 2 cực điều khiển 4 diode có nhiệm vụ triệt tiêu dòngđiện cảm ứng sinh ra trong quá trình động cơ làm việc Nếu không có diode bảo vệ, dòngđiện cảm ứng trong mạch có thể làm hỏng các transistor.

Transistor BJT được sử dụng nên là loại có công suất lớn và hệ số khếch đại lớn

 Nguyên lí hoạt động của mạch cầu H

Theo như sơ đồ trên, ta có A và B là 2 cực điều khiển được mắc nối tiếp với 2 điện trởhạn dòng, Tùy vào loại transistor bạn đang dùng mà trị số điện trở này khác nhau Phảiđảm bảo rằng dòng điện qua cực Base của các transistor không quá lớn để làm hỏngchúng Trung bình thì dùng điện trở 1k Ohm

Ta điều khiển 2 cực này bằng các mức tín hiệu HIGH, LOW tương ứng là 12V và 0V.Nhớ lại rằng:

 Transistor BJT loại NPN mở hoàn toàn khi điện áp ở cực Base bằng điện áp

ở cực Collector, trong mạch đang xét hiện tại là 12V

 Transistor BJT loại PNP mở hoàn toàn khi điện áp ở cực Base bằng 0V Với 2 cực điều khiển và 2 mức tín hiệu HIGH/LOW tương ứng 12V/0V cho mỗi cực,

có 4 trường hợp xảy ra như sau:

Ở phía A, transistor Q1 mở, Q3 đóng Ở phía B, transistor Q2 đóng, Q 4 mở Dó

đó, dòng điện trong mạch có thể chạy từ nguồn 12V đến Q1, qua động cơ đến Q4 để vềGND Lúc này, động cơ quay theo chiều thuận

 A ở mức HIGH và B ở mức LOW

Hình 2.9 Dòng điện chạy trong mạch cầu khi B ở mức LOW và A ở mức HIGH

Ở phía A, transistor Q1 đóng, Q3 mở Ở phía B, transistor Q2 mở, Q 4 đóng Dó

đó, dòng điện trong mạch có thể chạy từ nguồn 12V đến Q2, qua động cơ đến Q3 để vềGND Lúc này, động cơ quay theo chiều ngược

 A và B cùng ở mức LOW

Khi đó, transistor Q1 và Q2 mở nhưng Q3 và Q4 đóng Dòng điện không có đường vềđược GND do đó không có dòng điện qua động cơ - động cơ không hoạt động

 A và B cùng ở mức HIGH

Khi đó, transistor Q1 và Q2 đóng nhưng Q3 và Q4 mở Dòng điện không thể chạy

từ nguồn 12V ra do đó không có dòng điện qua động cơ - động cơ không hoạt động

M +

-+12V

Như vậy, để dừng động cơ, điện áp ở 2 cực điều khiển phải bằng nhau.

2.4.1.5 Cách sử dụng

IC L298 là một IC tích hợp nguyên khối gồm 2 mạch cầu H bên trong Với điện áplàm tăng công suất nhỏ như động cơ DC loại vừa…

 Tóm tắt chức năng các chân của L298 mini

- 4 Chân INPUT: IN1, IN2, IN3, IN4 của L298 mini được nối lần lượt với

các chân 8, 9, 10, 11 của Arduino Mega 2560 R3 Đây là các chân nhận tín hiệuđiều khiển

- 4 Chân OUTUT: OUT1, OUT2, OUT3, OUT4 (tương ứng với các chân

INPUT) được nối với động cơ DC Trái, Phải

- Chân GND của L298 mini nối với chân GND của boarrd Arduino.

Với bài toán đặt ra ở trên, ta cần lưu ý đến cách điều khiển chiều quay vớiL298 mini:

- INT1 = 1; INT2 = 0: Động cơ trái quay thuận

- INT1 = 0; INT2 = 1: Động cơ trái quay nghịch

- INT1 = INT2: Động cơ dừng trái ngay tức thì

- INT3 = 1; INT4 = 0: Động cơ phải quay nghịch

- INT3 = 0; INT4 = 1: Động cơ phải quay thuận

- INT3 = INT4: Động cơ phải dừng ngay tức thì

Trong báo cáo này sử dụng module L298 mini để điều khiển chiều quay của động

cơ DC

Sơ đồ nguyên lý:

13

2.4.1.6 Chức năng

Nhận xung từ board Arduino Mega 2560 R3 và truyền tín hiệu ra động cơ

2.4.2 Kit Arduino Mega 2560 R3

2.4.2.1 Giới thiệu chung về Arduino Mega 2560 R3

2.4.2.2 Lịch sử ra đời của Arduino

Arduino ra đời tại thị trấn Ivrea, nước Ý và được đặt theo tên một vị vua vào thế

kỷ thứ 9 là King Arduin

Nó chính thức được đưa ra giới thiệu vào năm 2005 như là một công cụ cho sinhviên học tập của giáo sư Massimo Banzi, một trong những người phát triển Arduino tạitrường Interaction Design Instistute Ivrea (IDII) Dù hầu như không có một sự tiếp thịhay quảng cáo nào nhưng tin tức về Arduino vẫn lan truyền với tốc độ chóng mặt nhờ vôvàn lời truyền miệng tốt đẹp của những người dùng đầu tiên

Chính vì tính tiện lợi và đơn giản cho người sử dụng mà Arduino đã trở thành mộthiện tượng trong làng điện tử thế giới Những sản phẩm của cộng đồng người dùngArduino cũng lớn đến mức không như những thiết bị hỗ trợ Arduino thể thống kê được

Nó phát triển đến mức mà ta có thể gọi nó là một hệ sinh thái đa dạng như tiêu đề - giốngnhư Windows hay Android

 Arduino có thể kết nối với những gì?

Một hệ thống Arduino có thể cung cấp cho người dùng rất nhiều sự tương tác vớimôi trường xung quanh với:

Hệ thống cảm biến đa dạng về chủng loại (đo đạc nhiệt độ, độ ẩm, gia tốc, vận tốc, cường

độ ánh sáng, màu sắc vật thể, lưu lượng nước, phát hiện chuyển động, phát hiện kim loại,khí độc,),

Các thiết bị hiển thị (màn hình LCD, đèn LED,)

Các module chức năng (shield) hỗ trợ kêt nối có dây với các thiết bị khác hoặc cáckết nối không dây thông dụng (3G, GPRS, Wifi, Bluetooth, 315/433Mhz, 2.4Ghz,), … Định vị GPS, nhắn tin SMS…

 16 chân vào analog (từ A0 đến A15).

 4 cổng Serial giao tiếp với phần cứng:

 1 thạch anh với tần số dao động 16 MHz

 Hiện nay có một số shiled hỗ trợ cho Arduino Mega rất nhiều như:

Hình 2.11 Mạch Arduino R3

 Thông số kĩ thuật

Cường độ dòng điện trên mỗi 3.3V pin 50 mA

Cường độ dòng điện trên mỗi I/O pin 20 mA

Hình 2.13 Arduino Mega 2560 R3

 Ứng dụng thực tế

Với sự tiện ích vô cùng lớn của Arduino Mega 2560, mạnh mẽ với bộ nhớ flash lớn, số chân nhiều hơn và cùng số lượng shield hỗ trợ không hề nhỏ Arduino Mega đã được đưa vào các dự án lớn hơn như xử lý thông tin nhiều luồng, điều khiền nhiều động

cơ, xe điều khiển từ xa, LED cube hay còn mở rộng cánh cửa với thế giới IoT

Hình 2.14 Mở rộng cánh cửa với IoTMột vài lưu ý khi sử dụng Arduino Mega

 Khi bắt đầu sử dụng Arduino Mega 2560 R3, bạn nên chú ý lựa chọn lại board Bằngcách vào Tool → Board → Arduino Mega 2560 R3 Nhằm tránh trước đó bạn đã sử dụngloại Arduino khác cổng vẫn còn nhận là board cũ nên khi thực hiện bạn sẽ gặp lỗi

 Khi sử dụng chân RX, TX cuả Arduino, các bạn nên nhớ rút dây cắm tại 2 chân này rarồi hãy bắt đầu upload Sau đó hãy cắm lại bình thường và sử dụng để tránh gặp phải lỗi

 Không được phép cắm trực tiếp chân GND vào chân nguồn 5V, có thể dẫn tới hỏngmạch

 Lập trình cho Arduino

Dowload phần mềm Arduino 1.8.7 về máy tính

2.4.3 Cảm biến góc gia tốc MPU-6050 GY-521.

 Giới thiệu về cảm biến góc gia tốc MPU6050 GY-521

Hình ảnh thực:

Cảm biến MPU-6050 được sử dụng để đo 6 thông số: 3 trục Góc quay (Gyro), 3trục gia tốc hướng (Accelerometer), là loại cảm biến gia tốc phổ biến nhất trên thị trườnghiện nay, ví dụ và code dành cho nó rất nhiều và hầu như có trên mọi loại vi điều khiển,

sử dụng cảm biến này cho mô hình xe tự cân bằng thì MPU6050 sẽ là sự lựa chọn tối ưu

Cảm biến MPU-6050 là cảm biến của hang IvenSense MPU- 6050 là giải phápcảm biến chuyển động đầu tiên trên thế giới có tới 6 (mở rộng tới 9) trục cảm biến baogồm axis gyroscope, 3- axit accelerometer và một Digital Motion Processcer (DMP) tíchhợp trong một chip duy nhất có kích thước rất nhỏ (4×4×0,9mm) Với bus cảm biến I2Cdành riêng, nó trực tiếp chấp nhận đầu vào từ một la bàn bên ngoài 3 trục để cung cấp kếtquả MotionFusion 9 trục hoàn chỉnh

MPU-6050có ba bộ chuyển đổi ADC 16 bit để số hóa các đầu ra con quay hồi chuyển và ba ADC 16 bit để số hóa đầu ra gia tốc kế Để theo dõi độ chính xác của chuyển động nhanh và chuyển động chậm, các bộ phận này có thang đo chính quy có thể lập trình với giá trị vận tốc góc trong khoảng ±250, ±500,±1000,±2000°/ giây (dps) và giátrị gia tốc trong khoảng ±2g, ±4g, ±8g và ±16g

Hình 2 16 Module cảm biến góc gia tốc MPU6050 GY-521

Vcc Cung cấp nguồn điện cho modul từ +3V đến +5V.Thông thường

sử dụng nguồn 5VGround Kết nối với cực âm của nguồn điện (0V)

Serial Clock (SCL) Được sử dụng để cung cấp xung đồng hồ cho giao tiếp I2C

Serial Data (SDA) Được sử dụng để cung cấp xung đồng hồ cho giao tiếp I2C

AD0 Bit 0 của địa chỉ I2C

Interrupt (INT) Chân ngắt

 Thông số kĩ thuật

Nguồn: 3 ~5VDC

Giao tiếp: I2C

Giá vận tốc góc trongkhoảng: ±250, ±500,± 1000,± 2000 degree/sec

Giá trị gia tốc trong khoảng: ±2g, ±4g, ± 8g, ± 16g (1g=1m/s2)

 Các chân kết nối của MPU- 6050

Hình 2.17 Cấu tạo và công dụng chân của MPU6050

MPU- 6050 thường được sử dụng trong module GY-521 GY-521 có thể giao tiếpvới nhiều loại Kit và vi điều khiển như Arduino, PIC,…

 Sơ đồ đi dây cảm biến MPU- 6050

2.4.4 Module cảm biến Bluetooth HC 06

2.4.4.1 Lịch sử phát triển Bluetooth

Blutooth 1.0 (7/1999): phiên bản đầu tiên được đưa ra thị trường với tốc độ kết nốiban đầu là 1Mbps Tuy nhiên, trên thực tế tốc độ kết nối của thế hệ này chưa bao giờ đạtquá mức 700Kbps

Bluetooth 1.1 (2001): Đánh dấu bước phát triển mới của công nghệ Bluetooth trênnhiều lĩnh vực khác nhau với sự quan tâm của nhiều nhà sản xuấtmới

Bluetooth 1.2 (11/2003): Bắt đầu có nhiều tiến bộ đáng kể Chuẩn này hoạt độngdựa trên băng tần 2.4GHz và tăng cường kết nốithoại

2.4.5 Bluetooth 2.0+ERD (2004)

Bắt đầu nâng cao tốc độ và giảm thiểu một nửa năng lượng tiêu thụ so với trước đây Tốc độ của chuẩn Bluetooth lên đến 2.1Mbps với chế độ cải thiện kết nối truyền tải–ERD (Enhanced datarate)

Bluetooth 2.1+ERD (2004): đây chính là thế hệ nâng cấp của Bluetooth 2.0 cóhiệu năng cao hơn và tiết kiệm năng lượng hơn

Bluetooth 3.0+HS (2008): có tốc độ truyền dữ liệu đạt mức 24Mbps – bằng sóngBlutooth–HighSpeed, tương đương chuẩn Wifi thế hệ đầu tiên, phạm vi hiệu quả nhất chỉtrong vòng 10m

Bluetooth 4.0 (30/06/2010): chuẩn Bluetooth mới nhất hiện nay Bluetooth 4.0 là

sự kết hợp của “classic Bluetooth” (Bluetooth 2.1 và 3.0), “Bluetooth high speed”

Cảm biếnMPU-6050

MạchArduino