Bài tập lớn Cơ sở tự động - Đề tài: Phân tích mô hình xe hai bánh tự cân bằng

GVHD: PGS.TS.Huỳnh Thái Hoàng
Nhóm 14:
• Hứa Cẩ Hào 41100946 DD11KSVTm
• Nguyễn Quốc Huy 41101365 DD11KSTD
• Nguyễn Đình Khoa 41101644 DD11KSVT
ỗ• Đ Hữu Phương Trung 41103854 DD11KSTD
1
ĐỀ TÀI 
PHÂN TÍCHMÔHÌNH 
XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG
2
NỘI DUNG TRÌNH BÀY
I. Giới thiệu sơ lược về xe hai bánh tự cân bằng
II. Nguyên tắc hoạt động
III. Mô hình toán học
IV. Các bước thiết kế
V Tí h t á ô hỏ bằ MATLAB. n o n m p ng ng 
VI. Mô hình thực tế
VII Kết luận. 
VIII.Tài liệu tham khảo
3
I. Giới thiệu xe hai bánh tự cân bằng
4
I. Giới thiệu xe hai bánh tự cân bằng
ằXe hai bánh tự cân b ng là:
• Loại xe chỉ có hai bánh với trục 
của hai bánh xe trùng nhau. 
• Để cho xe cân bằng trọng tâm , 
của xe (bao gồm cả người sử 
dụng chúng) cần được giữ nằm 
ngay giữa các bánh xe.
• Việc thăng bằng của xe dựa trên 
tính chất con quay hồi chuyển ở 
hai bánh xe khi đang quay.
5
II. Nguyên tắc hoạt động
6
II. Nguyên tắc hoạt động
ắ ằNguyên t c hoạt động của robot 2 bánh tự cân b ng 
dựa vào mô hình con lắc ngược gắn với hệ 2 bánh xe 
được điều khiển độc lập nhau .
7
III Mô hình toán học. 
8
III. Mô hình toán học (tt)
ÊMỤC TI U 
Xác định được phương trình trạng thái mô tả hệ thống
9
III. Mô hình toán học(tt)
Ở ẮCƠ S VẬT LÝ CON L C NGƯỢC
10
III. Mô hình toán học – Cơ sở vật lý (tt)
11
III. Mô hình toán học – Cơ sở vật lý (tt)
12
III. Mô hình toán học – Cơ sở vật lý (tt)
- Ta viết lại hệ từ những phương trình vừa thiết lập: 
- Xấp xỉ tuyến tính hóa tại 00 với sin()   và cos()  1 :
13
III. Mô hình toán học – Cơ sở vật lý (tt)
- Viết lại hệ phương trình vừa tuyến tính hóa:
14
III. Mô hình toán học – Cơ sở vật lý (tt)
Từ hệ phương trình vừa tìm được ta suy ra:- , 
Với:
15
ĐẶC TÍNH ĐỘNG HỌC XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG
III. Mô hình toán học(tt)
Khảo sát bánh xe
Khối lượng bánh trái (kg)
Moment quán tính bánh trái 
(kg.m2)
Moment động cơ tác động lên 
bánh trái (N.m)
Lực ma sát
Lực kéo của động cơ theo 
phương ngang và dọc
16
Khảo sát bánh xe (tt)
III. Mô hình toán học – Đặc tính động học (tt)
Theo định luật II Newton 
(1)
(2)
(3)
(1): phương trình cân bằng lực theo phương ngang
(2): phương trình cân bằng lực theo phương thẳng đứng
(3): phương trình bảo toàn moment lực
17
Khảo sát thân xe
III. Mô hình toán học – Đặc tính động học (tt)
* Chú ý:
“Thân xe” bao gồm khung xe sườn xe và người đứng trên xe (không bao gồm
Các đại lượng cần quan tâm:
 , 
bánh xe).
• R : bán kính bánh xe (m). 
• D : khoảng cách giữa hai bánh 
( )xe m . 
• L : khoảng cách từ trục z của 
hai bánh xe đến trọng tâm người 
(m). 
• θ : góc lật (rad). 
• δ : góc quay (rad). 
18
Khảo sát thân xe (tt)
III. Mô hình toán học – Đặc tính động học (tt)
19
Khảo sát thân xe (tt)
III. Mô hình toán học – Đặc tính động học (tt)
Đặt C = CL + CR
Từ mô hình thân xe:
Đạo hàm liên tiếp 2 lần:
20
Khảo sát thân xe (tt)
III. Mô hình toán học – Đặc tính động học (tt)
Thay vào và rút gọn ta được : 
Trong đó: 
21
Khảo sát thân xe (tt)
III. Mô hình toán học – Đặc tính động học (tt)
Cuối cùng, ta rút được hệ phương trình trạng thái của xe:
22
IV Cá b ớ thiết kế. c ư c 
23
IV.Các bước thiết kế (tt)
24
IV.Các bước thiết kế (tt)
25
ố ế ế
IV.Các bước thiết kế (tt)
Trình tự khảo sát hệ th ng sẽ thi t k
26
ố ế ế
IV.Các bước thiết kế (tt)
Trình tự khảo sát hệ th ng sẽ thi t k (tt)
27
ố ế ế
IV.Các bước thiết kế (tt)
Trình tự khảo sát hệ th ng sẽ thi t k (tt)
28
ố ế ế
IV.Các bước thiết kế (tt)
Trình tự khảo sát hệ th ng sẽ thi t k (tt)
29
ằV.Tính toán mô phỏng b ng MATLAB
30
V. Tính toán mô phỏng bằng MATLAB (tt)
Từ phương trình trạng thái: Số liệu tính toán: 
31
V. Tính toán mô phỏng bằng MATLAB (tt)
Det(P) = 
0.0241 > 0
Điều khiển được
Bước 2: Xác định xem hệ thống khó điều khiển hay dễ điều khiển
Dễ điều khiển
32
Bước 3 : Xác định tính ổn định : 
V. Tính toán mô phỏng bằng MATLAB (tt)
RL của biến x Đáp ứng của hệ thống
33
Bước 4 : Thế bộ điều chỉnh làm ổn định hệ thống (nếu cần)
V. Tính toán mô phỏng bằng MATLAB (tt)
Ma trận V là các cực mong muốn
Ta tính K trên Matlab
34
Kết quả mô phỏng sau khi điều chỉnh
V. Tính toán mô phỏng bằng MATLAB (tt)
Chọn  = 0.57 (POT 10%)
n = 1.22 (ts  5s)
RL của biến x Đáp ứng của hệ thống
35
VI. MÔ HÌNH THỰC TẾ
Mời thầy và các bạn cùng xem clip.
36
VII Kết l ậ. u n
Sự ra đời của xe hai bánh tự cân bằng là sự kết hợp ý tưởng 
ề á h iữ hă bằ ủ ời ê đôi hâ à độv c c g t ng ng c a con ngư tr n c n v cơ 
động trong di chuyển của các loại xe di chuyển bằng bánh. 
ƯU ĐIỂM
Đây là một phương tiện vận chuyển mới 
ố ề
KHUYẾT ĐIỂM
• Chính vì những ưu điểm trên sẽ dẫn 
ếtại các thành ph trong tương lai với nhi u 
ưu điểm: gọn, nhẹ, ít chiếm diện tích 
đường phố, dễ mang vác, tháo lắp và vận 
chuyển nhiên liệu sạch đi được trên một
đ n việc chúng ta lạm dụng phương 
tiện này trở nên ít vận động dẫn đến 
các bệnh lý nguy hiểm như tê chân 
(mất cảm giác đi) béo phì tim, , 
số địa hình phức tạp. 
 , , 
mạch,
• Khi xe nghiêng một góc quá lớn (vọt 
lố cao) sẽ tự mất cân bằng gây nguy 
ể ề ểhi m cho người đi u khi n.
37
VIII. Tài liệu tham khảo
• Xe hai bánh tự cân bằng di chuyển trên địa hình phẳng – tác giả 
Mai Tấn Đạt
• Segway reference guide
38
CÁM ƠN 
THẦY VÀ CÁC BẠN ĐÃ CHÚ Ý LẮNG 
NGHE QUAN TÂM THEO DÕI MỘT 
CÁCH TẬN TÌNH ĐẦY HÀO HỨNG VỀ 
BÀI THUYẾT TRÌNH BÀI TẬP LỚN CỦA 
NHÓM 14 
SAU ĐÂY LÀ PHẦNHỎI NHỎ ĐÁP TO ?!
39