ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------------------

NGUYỄN HUY HOÀNG

ĐIỀU KHIỂN XE ĐẠP TỰ CÂN BẰNG DÙNG GIẢI THUẬT
FUZZY-LQR

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
Mã số: 60520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07, năm 2018


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS Huỳnh Thái Hoàng

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Phạm Việt Cường

Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS.TS. Võ Công Phương

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 12 tháng 07 năm 2018.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. TS. Nguyễn Trọng Tài
2. TS. Nguyễn Lê Dũng
3. TS. Phạm Việt Cường

4. PGS.TS Võ Công Phương
5. TS. Trần Ngọc Huy
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA
ĐIỆN - ĐIỆN TỬ


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT
NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYỄN HUY HOÀNG

MSHV:1670333

Ngày, tháng, năm sinh: 29/12/1992

Nơi sinh: Nghệ An

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa

Mã số : 60520216

I. TÊN ĐỀ TÀI:

ĐIỀU KHIỂN XE ĐẠP TỰ CÂN BẰNG DÙNG GIẢI THUẬT FUZZY-LQR
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Trong luận văn này, mục tiêu là điều khiển để giữ được cân bằng cho hệ xe đạp dùng
bánh đà quán tính khi xe đứng yên hoặc di chuyển thẳng. Mục tiêu cụ thể như sau :
-

Thiết kế bộ điều khiển tồn phương tuyến tính LQR và bộ điều khiển Fuzzy-LQR,

áp dụng cho đối tượng xe đạp tự cân bằng dùng bánh đà qn tính. Lập trình trên Matlab,
tiến hành mô phỏng và so sánh kết quả điều khiển cân bằng hệ xe đạp.
-

Xây dựng mơ hình thực tế hệ xe đạp tự cân bằng.

-

Xây dựng chương trình nhúng cho vi điều khiển STM32F4.

-

Điều khiển cân bằng hệ xe đạp trên mơ hình thực tế đã xây dựng và đánh giá kết quả.

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 10/07/2017
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 17/06/2018
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Huỳnh Thái Hoàng

Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 2018
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO


(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên tôi xin gởi đến Thầy PGS.TS Huỳnh Thái Hoàng lời cảm ơn chân thành và sâu
sắc nhất. Nhờ sự hướng dẫn và chỉ bảo tận tình của Thầy trong suốt thời gian qua tôi đã
thực hiện đề cương đề tài và tiếp tục hoàn thành luận văn Thạc Sĩ. Những lời nhận xét,
góp ý và hướng dẫn tận tình của Thầy đã giúp tơi có một định hướng đúng đắn trong
suốt quá trình thực hiện đề tài.
Đồng thời, tôi xin trân trọng cảm ơn các Thầy Cơ của Trường Đại Học Bách Khoa nói
chung và của khoa Điện – Điện Tử nói riêng đã dạy dỗ tôi trong suốt thời gian trong hai
kỳ cao học. Những lời giảng của Thầy Cô trên bục giảng đã trang bị cho tơi những kiến
thức và giúp tơi tích lũy thêm những ý tưởng hay và bổ ích.
Tơi cũng xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Văn Đông Hải, bạn Đình Đạt (trường Đại
học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM), bạn Tuấn Kiệt, Đình Huân (Đại học Bách Khoa
TPHCM) đã hỗ trợ và cho tơi những góp ý, tư vấn hết sức q giá.
Bên cạnh đó, tơi xin chân thành cảm ơn các quý Thầy Cô đồng nghiệp ở Bộ môn Vật lý
điện tử, Khoa Vật lý- Vật lý kỹ thuật, Trường ĐH Khoa học tự nhiên đã quan tâm giúp
đỡ, tạo điều kiện thuận lợi trong q trình cơng tác để tơi có thể tập trung hồn thành
khóa học và luận văn Thạc Sĩ này.
Cuối cùng con xin chân thành cám ơn gia đình và cha mẹ đã ln động viên, ủng hộ tinh
thần cho con. Sự quan tâm lo lắng và hi sinh lớn lao của cha mẹ luôn là động lực để con
cố gắng phấn đấu trên con đường học tập và sự nghiệp của mình.
Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 06 năm 2018

Thân ái
Học viên
NGUYỄN HUY HOÀNG


TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Ngày nay, nhu cầu đi lại của con người ngày càng tăng cao, các phương tiện di chuyển
cũng được nghiên cứu hoàn thiện thêm để đáp ứng nhu cầu đó. Trong đó, xe tự cân bằng
là một xu hướng được nghiên cứu nhiều trong những năm gần đây. Xe tự cân bằng được
nghiên cứu và phát triển nhằm mục đích hỗ trợ an tồn cho người sử dụng trong quá
trình di chuyển.
Trong luận văn, tác giả thực hiện thiết kế, thi công, điều khiển cân bằng cho hệ xe đạp
tự cân bằng dựa trên nguyên lý của con lắc ngược bánh đà quán tính. Hệ xe đạp được
mơ hình hóa và mơ phỏng điều khiển trên Matlab/Simulink với giải thuật LQR và FuzzyLQR. Các bộ điều khiển sau khi được thiết kế bằng lý thuyết và mô phỏng đã được kiểm
nghiệm thực tế với mô hình thực.


ABSTRACT
These days, travel demand of people is increasing, and the means of travel are further
researched to meet that need. In particular, self-balancing vehicles have been a trend
studied in recent years. Self-balancing vehicles are researched and developed for the
purpose of safeguarding the user when driving.
In the thesis, the author performs the thesis to design, implement and balance the selfbalancing bicycle system based on the principle of the inertial reaction wheel pendulum.
The Self-balancing bicycle are modeled and simulated on Matlab / Simulink with LQR
and Fuzzy-LQR controllers. Controllers, after being theoretical design and simulated,
have been tested with the real model.


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi và được sự hướng dẫn

khoa học của PGS. TS Huỳnh Thái Hoàng. Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề
tài này là trung thực và chưa cơng bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây.
Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm về nội
dung luận văn của mình. Trường Đại học Bách Khoa TP. HCM khơng liên quan đến
những vi phạm (nếu có) về tác quyền, bản quyền do tôi gây ra trong quá trình thực hiện.
TP. Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 06 năm 2018
Tác giả

NGUYỄN HUY HOÀNG


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI XE ĐẠP TỰ CÂN BẰNG .......................... 1
1.1 Giới thiệu đề tài ..................................................................................................... 1
1.2 Một số cơng trình nghiên cứu liên quan ............................................................... 4
1.3 Mục tiêu đề tài ..................................................................................................... 10
1.4 Phương pháp nghiên cứu..................................................................................... 10
1.4.1 Phân tích lý thuyết ....................................................................................... 10
1.4.2 Mơ phỏng trên máy tính .............................................................................. 10
1.4.3 Áp dụng kết quả vào thực nghiệm .............................................................. 10
1.5 Sơ lược nội dung luận văn .................................................................................. 11
CHƯƠNG 2 - THIẾT KẾ VÀ MƠ HÌNH HÓA XE ĐẠP TỰ CÂN BẰNG ............... 12
2.1 Thiết kế xe đạp tự cân bằng ................................................................................ 12
2.1.1 Phần cơ khí .................................................................................................. 12
2.1.2 Phần mạch điện ........................................................................................... 14
2.2 Mơ hình hóa hệ xe xe đạp tự cân bằng ............................................................... 18
2.3 Xác định thông số của hệ thống .......................................................................... 23
2.3.1 Các thông số cơ khí của mơ hình ................................................................ 23
2.3.2 Thơng số động cơ ........................................................................................ 25
CHƯƠNG 3 - THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ XE ĐẠP TỰ CÂN BẰNG .... 32

3.1 Bộ điều khiển LQR ............................................................................................. 32
3.1.1 Cơ sở lý thuyết ............................................................................................ 32
3.1.2 Thiết kế bộ điều khiển LQR cho hệ xe đạp tự cân bằng ............................. 33
3.1.3 Chương trình Matlab/Simulink mô phỏng bộ điều khiển LQR .................. 34
3.2 Bộ điều khiển Fuzzy-LQR .................................................................................. 35
3.2.1 Cơ sở lý thuyết bộ điều khiển mờ ............................................................... 35
3.2.2 Thiết kế bộ điều khiển Fuzzy-LQR cho hệ xe đạp tự cân bằng .................. 38
3.2.3 Chương trình Matlab/Simulink mơ phỏng bộ điều khiển Fuzzy-LQR ....... 43


CHƯƠNG 4 - THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THỰC NGHIỆM ................................. 44
4.1 Đọc dữ liệu góc nghiêng từ cảm biến MPU6050 ................................................ 44
4.1.1 IMU (Inertial Measurement Unit) – thiết bị đo lường quán tính ................ 44
4.1.2 Lý thuyết bộ lọc Kalman ............................................................................. 45
4.1.3 Xây dựng bộ lọc Kalman cho MPU6050 .................................................... 46
4.2 Xây dựng chương trình điều khiển ..................................................................... 49
4.2.1 Chương trình nhúng cho STM32F4 ............................................................ 49
4.2.2 Giao diện điều khiển trên máy tính ............................................................. 57
CHƯƠNG 5 - KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................................ 58
5.1 Kết quả mô phỏng ............................................................................................... 58
5.1.1 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển LQR ....................................................... 58
5.1.2 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển Fuzzy-LQR ............................................ 59
5.2 Kết quả thực nghiệm ........................................................................................... 61
5.2.1 Kết quả kiểm nghiệm bộ lọc Kalman .......................................................... 61
5.2.2 Kết quả kiểm nghiệm thuật toán LQR ........................................................ 63
5.2.3 Kết quả kiểm nghiệm thuật toán Fuzzy-LQR ............................................. 63
5.2.4 Kết luận ....................................................................................................... 64
5.3 Đánh giá kết quả đạt được và hướng phát triển .................................................. 64
5.3.1 Kết quả đạt được ......................................................................................... 64
5.3.2 Hướng phát triển ......................................................................................... 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................. 66


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Mơ hình xe đạp tự cân bằng dùng mass balancer trong nghiên cứu của Masaki
Yamakita và Atsuo Utano [1] .......................................................................................... 1
Hình 1.2: Mơ hình xe đạp tự cân bằng dùng phương pháp điều khiển góc lái kết hợp với
cân bằng khối lượng [2] ................................................................................................... 2
Hình 1.3: Mơ hình xe đạp tự cân bằng dùng CMG .......................................................... 3
Hình 1.4: Murata Boy – Robot lái xe đạp ứng dụng bánh đà qn tính .......................... 3
Hình 1.5: Mơ hình xe đạp tự cân bằng trong nghiên cứu [4] ........................................... 4
Hình 1.6: Mơ hình xe đạp tự cân bằng trong nghiên cứu [5] ........................................... 5
Hình 1.7: Mơ hình xe máy tự cân bằng trong nghiên cứu [6].......................................... 5
Hình 1.8: Cấu trúc bộ điều khiển LQR trong nghiên cứu [7] .......................................... 6
Hình 1.9: Cấu trúc bộ điều khiển PID trong nghiên cứu [8] ............................................ 6
Hình 1.10: Mơ hình xe đạp tự cân bằng trong nghiên cứu [9] ......................................... 7
Hình 1.11: Mơ hình xe đạp tự cân bằng trong nghiên cứu [10] ....................................... 7
Hình 1.12: Cấu trúc bộ điều khiển trong nghiên cứu [11] ............................................... 8
Hình 1.13: Mơ hình xe đạp tự cân bằng trong nghiên cứu [12] ....................................... 8
Hình 1.14: Cấu trúc bộ điều khiển Fuzzy-LQR trong nghiên cứu [18] ........................... 9
Hình 2.1: Thiết kế cơ khí mơ hình xe đạp tự cân bằng dùng phần mềm SolidWorks ... 12
Hình 2.2: Mơ hình xe đạp tự cân bằng sau khi hồn thành ............................................ 12
Hình 2.3: Động cơ DC – 775 và encoder 100 xung ....................................................... 13
Hình 2.4: Động cơ DC GA12......................................................................................... 13
Hình 2.5: Sơ đồ khối phần mạch điện của xe đạp tự cân bằng ...................................... 14
Hình 2.6: KIT SMT32F4 – DISCOVERY..................................................................... 14
Hình 2.7: Cảm biến MPU6050....................................................................................... 15
Hình 2.8: Mạch cơng suất điều khiển động cơ HI216 ................................................... 15
Hình 2.9: Mạch cơng suất điều khiển động cơ VNH2SP30 .......................................... 16
Hình 2.10: Module HC05 ............................................................................................... 17

Hình 2.11: Pin lipo 3s.................................................................................................... 17
Hình 2.12: Mơ hình xe đạp tự cân bằng dùng bánh đà qn tính .................................. 18
Hình 2.13: Mơ hình động cơ DC.................................................................................... 21
Hình 2.14: Nhập thuộc tính vật liệu vào phần mềm SolidWorks .................................. 23
Hình 2.15: Cửa số Mass Properties ................................................................................ 24
Hình 2.16: Mơ hình tổng qt của động cơ DC ............................................................. 25
Hình 2.17: Chương trình thí nghiệm cho động cơ hoạt động với các tín hiệu điều khiển
khác nhau........................................................................................................................ 26
Hình 2.18: Chương trình mơ phỏng đáp ứng của động cơ với các tín hiệu khác nhau . 27
Hình 2.19: Sơ đồ bên trong khối DC motor ................................................................... 27
Hình 2.20: Chọn chức năng Parameter Estimation .................................................... 28


Hình 2.21: Chọn các thơng số cần nhận dạng ................................................................ 28
Hình 2.22: Thêm các thí nghiệm mơ phỏng................................................................... 29
Hình 2.23: Chọn ngõ ra cần quan sát trong thí nghiệm mơ phỏng ................................ 29
Hình 2.24: Nhập dữ liệu thu thập từ thí nghiệm thực tế ................................................ 30
Hình 2.25: Kết quả ước lượng thơng số động cơ ........................................................... 30
Hình 3.1: Sơ đồ không gian trạng thái sử dụng bộ điều khiển LQR............................. 32
Hình 3.2: Sơ đồ mơ phỏng thuật tốn LQR ................................................................... 34
Hình 3.3: Sơ đồ bên trong khối Bicycle Model ............................................................. 34
Hình 3.4: Sơ đồ bên trong khối Motor .......................................................................... 34
Hình 3.5: Sơ đồ khối hệ mờ căn bản .............................................................................. 35
Hình 3.6: Cấu trúc bộ điều khiển Fuzzy-LQR ............................................................... 38
Hình 3.7: Ngõ vào và ngõ ra của hệ mờ ........................................................................ 40
Hình 3.8: Các hàm liên thuộc của các biến ngôn ngữ vào ra. ........................................ 41
Hình 3.9: Cửa sổ Rule Editor trong phần mềm Matlab ................................................. 42
Hình 3.10: Sơ đồ mơ phỏng thuật tốn Fuzzy-LQR ...................................................... 43
Hình 3.11: Sơ đồ bên trong khối Fuzzy Controller ........................................................ 43
Hình 4.1: Các hướng chuyển động của vật trong khơng gian ........................................ 44

Hình 4.2: Sơ đồ thuật tốn Kalman cho hệ rời rạc ......................................................... 46
Hình 4.3: Bộ lọc Kalman được sử dụng để lọc nhiễu cảm biến gia tốc và cảm biến vận
tốc góc ............................................................................................................................ 47
Hình 4.4: Thiết kế khối lọc Kalman trong Matlab/Simulink ......................................... 49
Hình 4.5: Cài đặt thư viện Waijung Blockset ................................................................ 50
Hình 4.6: Chương trình nhúng cho vi điều khiển STM32F4 ......................................... 51
Hình 4.7: Khai báo cho vi điều khiển STM32F4 ........................................................... 52
Hình 4.8: Thiết lập cho giao tiếp UART ........................................................................ 53
Hình 4.9: Thiết lập cho giao tiếp I2C............................................................................. 53
Hình 4.10: Thiết lập cho khối Encoder Read ................................................................. 54
Hình 4.11: Khối Calculator Speed ................................................................................. 54
Hình 4.12: Đọc dữ liệu từ MPU6050 và kết hợp bộ lọc Kalman .................................. 55
Hình 4.13: Khối PC-COMMUNICATION ................................................................... 55
Hình 4.14: Khối CONTROLLER. ................................................................................. 56
Hình 4.15: Thiết kế bên trong khối LQR Controller...................................................... 56
Hình 4.16: Thiết kế bên trong khối Fuzzy-LQR Controller .......................................... 57
Hình 4.17: Giao diện điều khiển trên máy tính .............................................................. 57
Hình 5.1: Kết quả mơ phỏng với  = 2 và  = 0rad / s ................................................. 58
Hình 5.2: Kết quả mơ phỏng với  = −2 và  = 1rad / s ................................................ 58
Hình 5.3: Kết quả mô phỏng với  = 8 và  = 0rad / s .................................................. 59
Hình 5.4: Kết quả mơ phỏng với  = 2 và  = 0rad / s ................................................. 59


Hình 5.5: Kết quả mơ phỏng với  = −2 và  = 1rad / s ................................................ 60
Hình 5.6: Kết quả mô phỏng với  = 8 và  = 0rad / s .................................................. 60
Hình 5.7: So sánh đáp ứng cân bằng xe đạp giữa bộ điều khiền LQR và Fuzzy-LQR . 61
Hình 5.8: Đồ thị góc nghiêng quanh trục x .................................................................... 62
Hình 5.9: Đồ thị vận tốc góc nghiêng quanh trục x ....................................................... 62
Hình 5.10: Đồ thị góc nghiêng và điện áp điều khiển của bộ điều khiển LQR ............. 63
Hình 5.11: Đồ thị góc nghiêng và điện áp điều khiển của bộ điều khiển Fuzzy-LQR .. 63



DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1: Ký hiệu các thông số của hệ thống ................................................................ 19
Bảng 2.2: Thông số của mô hình cơ khí ........................................................................ 24
Bảng 2.3: Thơng số của động cơ .................................................................................... 31
Bảng 3.1: Các luật mờ cho bộ điều khiển ...................................................................... 42


1

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI XE ĐẠP TỰ CÂN BẰNG
1.1 Giới thiệu đề tài
Ngày nay, khoa học công nghệ phát triển mạnh mẽ giúp cho những phương tiện phục vụ
đi lại của con người như xe máy, xe hơi… ngày càng hoàn thiện và tiện lợi. Tuy nhiên,
xe đạp vẫn là một sự lựa chọn được nhiều người quan tâm do sự thân thiện với môi
trường và những lợi ích về mặt sức khỏe mà nó đem lại. Với nhiều người, việc đi xe đạp
có thể khá đơn giản, dù vậy, vẫn có những đối tượng gặp khó khăn, đặc biệt là trẻ nhỏ,
người lớn chưa từng học lái xe đạp hay những người bị thương, người gặp vấn đề về
phát triển nhận thức. Một hệ thống có khả năng hỗ trợ cân bằng cho người đi xe đạp có
thể mang lại lợi ích to lớn cho nhóm người này. Hệ thống này có thể được sử dụng như
một công cụ huấn luyện việc chạy xe đạp hoặc một thiết bị hỗ trợ điều trị vật lý.
Về bản chất, xe đạp là một đối tượng có tính phi tuyến cao, điều này mang lại nhiều
thách thức cho bài toán điều khiển cân bằng xe đạp. Các nhà nghiên cứu trên thế giới đã
dùng nhiều giải pháp cơ điện tử để tự động cân bằng và điều khiển cho xe đạp. Ý tưởng
chính của xe đạp tự cân bằng là dùng các cảm biến để đo góc lệch của xe đạp so với
phương thẳng đứng và dùng các cơ cấu tác động để đưa nó về vị trí cân bằng. Dựa trên
ý tưởng này đã có 4 loại xe đạp tự cân bằng được nghiên cứu và giới thiệu.
Loại thứ nhất là cân bằng nhờ điều chỉnh trọng tâm hay “cân bằng khối lượng” (mass
balancer). Ưu điểm của thiết kế dạng này là đơn giản nhưng moment xoắn sinh ra nhỏ.


Hình 1.1: Mơ hình xe đạp tự cân bằng dùng mass balancer trong nghiên cứu của
Masaki Yamakita và Atsuo Utano [1]


2
Loại thứ hai là cân bằng dựa trên góc lái (steering control). Bộ điều khiển sẽ kiểm soát
moment tác dụng lên tay lái để điều khiển cân bằng. Ưu điểm của phương pháp này là
khối lượng nhỏ, tiêu thụ ít năng lượng nhưng khuyết điểm là mơ hình tốn học phức tạp,
yêu cầu xét đến lực phản xạ của mặt đất và hệ thống không thể cân bằng khi bị lệch một
góc nghiêng lớn.

Hình 1.2: Mơ hình xe đạp tự cân bằng dùng phương pháp điều khiển góc lái kết hợp
với cân bằng khối lượng [2]
Loại thứ ba là cân bằng bằng cách điều khiển moment con quay hồi chuyển (CMG –
Control Moment Gyroscope). Gồm một hoặc nhiều khớp vạn năng (gimbal) điều khiển
hướng trục quay của một đĩa quán tính. Khi xe đạp nghiêng, bộ điều khiển sẽ dựa vào
góc nghiêng đo được để tính tốn thay đổi hướng trục quay và hướng moment quay của
đĩa quán tính. Sự thay đổi thay sinh ra một moment tiến động (precessive torque) giúp
đưa xe đạp trở về tư thế cân bằng. Phương pháp này có thể sinh ra moment rất lớn tuy
nhiên năng lượng tiêu thụ cũng rất nhiều, do đĩa quán tính phải được quay liên tục (giả
định với một vận tốc góc lớn nhất để có thể sinh ra moment lớn)


3

Hình 1.3: Mơ hình xe đạp tự cân bằng dùng CMG
Loại thứ tư sử dụng bánh đà quán tính để cân bằng xe đạp. Với kiểu thiết kế này, mơ
hình xe đạp có đặc tính tương tự với hệ con lắc ngược bánh đà quán tính []. Bằng việc
tăng hoặc giảm tốc độ quay của bánh đà, moment quán tính sẽ được tạo ra và tác dụng

lên trục quay song song với khung xe. Khi xe đạp bắt đầu ngã về một phía, động cơ gắn
với bánh đà sẽ tác dụng một moment lên bánh đà, từ đó một moment quán tính sẽ được
sinh ra và tác dụng lên xe đạp, giúp xe trở về vị trí cân bằng.

Hình 1.4: Murata Boy – Robot lái xe đạp ứng dụng bánh đà quán tính
Hạn chế của phương án này là tiêu thụ nhiều năng lượng và không thể sinh ra moment
lớn. Tuy vậy đây là phương án tương đối đơn giản về mặt mơ hình, ít chi phí và vấn đề


4
tác động của phản lực mặt đất lên xe đạp gần như được loại bỏ. Vì vậy, trong luận văn
này, học viên sẽ chọn cách tiếp cận dùng bánh đà quán tính để điều khiển cân bằng cho
xe đạp.
1.2 Một số cơng trình nghiên cứu liên quan
Trên thế giới đã có một số nghiên cứu ứng dụng mơ hình bánh đà quán tính để điều khiển
cân bằng cho xe đạp.
Trong nghiên cứu [4], nhóm tác giả đã trình bày sự ảnh hưởng của bánh đà quán tính
đến sự cân bằng của xe đạp thơng qua việc thành lập mơ hình toán học. Nghiên cứu này
cũng khảo sát một số chuyển động của xe đạp trong điều kiện phức tạp hơn như: chuyển
động trên mặt phẳng nghiêng, chuyển động trong vòng cung.

Hình 1.5: Mơ hình xe đạp tự cân bằng trong nghiên cứu [4]
Trong nghiên cứu [5], nhóm tác giả đã xây dựng mơ hình tốn học và thiết kế bộ điều
khiển cho xe đạp tự hành. Trong đó, nhóm nghiên cứu đã sử dụng một đĩa quay để tạo
ra ngoại lực giúp hỗ trợ cân bằng cho xe tự hành. Đáng chú ý, mơ hình tốn học của xe
đạp tự hành được xây dựng với độ phi tuyến cao vốn có của mơ hình, do nhóm tác giả
khơng sử dụng các giả thiết đơn giản hóa hoặc tuyến tính hóa.


5


Hình 1.6: Mơ hình xe đạp tự cân bằng trong nghiên cứu [5]
Việc ứng dụng bánh đà quán tính để để hỗ trợ cân bằng cho xe máy cũng đã được đề cập
trong nghiên cứu [6], tác giả đã sử dụng bộ điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa để mơ
phỏng điều khiển cân bằng. Tuy nhiên, kết quả tín hiệu điều khiển thu được rất lớn,
không phù hợp với thực tế, do đó tác giả đề xuất nghiên cứu sử dụng thêm bộ điều khiển
hoạch định độ lợi bên cạnh bộ điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa.

Hình 1.7: Mơ hình xe máy tự cân bằng trong nghiên cứu [6]
Đối với các bài tốn điều khiển cân bằng, khơng thể khơng nhắc đến giải thuật tồn
phương tuyến tính LQR (Linear Quadratic Regulator). Nhóm nghiên cứu [7] đã sử dụng
và kiểm chứng được sự phù hợp của bộ điều khiển LQR đối với việc kiểm soát cân bằng
cho xe đạp.


6

Hình 1.8: Cấu trúc bộ điều khiển LQR trong nghiên cứu [7]
Trong nghiên cứu [8], nhóm nghiên cứu ở trường đại học Pusan, Korea, đã dùng bộ điều
khiển PID để điều khiển cân bằng xe đạp. Trong đó, vận tốc quay của bánh đà được hồi
tiếp về bộ điều khiển để giúp cho bộ điều khiển PID thực sự ổn định. Kết quả cho thấy
bộ điều khiển PID có thể điều khiển cân bằng cho xe đạp dù vẫn có xuất hiện sai lệch
góc nghiêng.

Hình 1.9: Cấu trúc bộ điều khiển PID trong nghiên cứu [8]
Tương tự như nghiên cứu [8], nhóm nghiên cứu [9] đã thiết kế và chế tạo mẫu xe đạp có
thể tự lái và cân bằng dùng bánh đà qn tính. Tuy nhiên, khó khăn chính trong nghiên
cứu này điều khiển cân bằng trong khi có thay đổi về góc lái.



7

Hình 1.10: Mơ hình xe đạp tự cân bằng trong nghiên cứu [9]
Nghiên cứu [10] đã thực hiện điều khiển cân bằng và vận tốc của xe đạp trong chuyển
động thẳng và đường cong hình chữ S. Đối với chuyển động thẳng, nhóm tác giả kiểm
chứng được việc điều khiển cân bằng và điều khiển vận tốc của xe có thể thực hiện độc
lập. Đối với chuyển động trên đường cong, góc nghiêng của xe đạp được điều chỉnh để
phù hợp với lực hướng tâm, lực gây ra do sự thay đổi của góc lái và trọng lực.

Hình 1.11: Mơ hình xe đạp tự cân bằng trong nghiên cứu [10]
Với mục tiêu điều khiển cân bằng và thu được đáp ứng tối ưu trong giới hạn đặt ra cho
ngoại lực tác dụng lên xe đạp, nhóm tác giả thực hiện nghiên cứu [11] đã đề xuất sử dụng
giải thuật Fuzzy. Ngồi ra, các hệ số chuẩn hóa cho các biến ngôn ngữ của bộ điều khiển
Fuzzy cũng được chỉnh định bằng cách sử dụng mạng thần kinh nhân tạo.


8

Hình 1.12: Cấu trúc bộ điều khiển trong nghiên cứu [11]
Vấn đề được tác giả ở nghiên cứu [12] đặt ra là một số giới hạn của hệ thống phải được
xét đến như góc lệch lớn nhất của xe đạp theo phương thẳng đứng, vận tốc lớn nhất của
bánh đà qn tính và tín hiệu điều khiển lớn nhất. Nói cách khác, mỗi động cơ điện đều
có giới hạn riêng về tốc độ và moment. Khi một trong những giá trị này bão hịa, hệ
thống sẽ trở nên khó điều khiển. Bằng cách giới thiệu mơ hình với những giới hạn của
cơ cấu tác động (actuator failure model) kết hợp với các luật điều khiển LQR, LQI
(Linear Quadratic Integral), bộ điều khiển đã thể hiện được đặc tính bền vững, đặc biệt
là giảm được năng lượng tiêu thụ của hệ thống.

Hình 1.13: Mơ hình xe đạp tự cân bằng trong nghiên cứu [12]



9
Tác giả Kiattisin Kanjanawanishkul trong nghiên cứu [13] đã đề xuất sử dụng ba bộ điều
khiển LQR (Linear Quadratic Regulator), LMPC (Linear Model Predictive Control) và
NMPC (Non-linear Model Predictive Control) cho hệ xe đạp tự cân bằng, với mơ hình
tốn học được xây dựng từ [14]. Kết quả cho thấy cả ba bộ điều khiển đều cho kết quả
ổn định cân bằng tốt, các chỉ tiêu chất lượng như trung bình sai số tuyệt đối (MAE –
Mean Absolute Error), độ vọt lố và thời gian xác lập của cả ba bộ điều khiển đều tương
tự nhau. Bộ điều khiển LQR có ưu điểm là tính tốn nhanh, trong khi bộ điều khiển
NMPC dù mất nhiều thời gian tính tốn hơn song lại có ưu điểm là dùng trực tiếp mơ
hình phi tuyến, do đó có thể giải quyết những đặc tính phức tạp và những giới hạn của
hệ thống phi tuyến.
Trên cơ sở những kết quả khá tốt thu được của các nghiên cứu [7], [12] và [13] khi dùng
bộ điều khiển LQR điều khiển cho hệ xe đạp tự cân bằng, học viên đề xuất sử dụng giải
thuật điều khiển Fuzzy-LQR, trong đó vector hồi tiếp K (kết quả của bài tốn LQR) đóng
vai trị là hệ số cho các biến trạng thái hồi tiếp của hệ thống. Bộ điều khiển Fuzzy-LQR
cũng đã được công bố trong một số nghiên cứu trong nước và thế giới như điều khiển độ
cao của trực thăng bốn cánh [15], điều khiển tàu khơng người lái [16], điều khiển bộ
giảm xóc cho xe buýt [17]. Trên cơ sở của nghiên cứu [18], tác giả Narinder Singh
Bhangal trong nghiên cứu điều khiển cân bằng cho hệ con lắc ngược kép [19] đã thực
hiện so sánh hai bộ điều khiển LQR và Fuzzy-LQR. Kết quả cho thấy với bộ điều khiển
Fuzzy-LQR hệ thống đã cho đáp ứng tốt hơn.

Hình 1.14: Cấu trúc bộ điều khiển Fuzzy-LQR trong nghiên cứu [18]


10
1.3 Mục tiêu đề tài
Trong luận văn này, mục tiêu là điều khiển để giữ được cân bằng cho cho hệ xe đạp dùng
bánh đà quán tính khi xe đứng yên hoặc chuyển động thẳng. Mục tiêu cụ thể như sau:

-

Xây dựng mơ hình thực tế hệ xe đạp tự cân bằng.

-

Thiết kế bộ điều khiển tồn phương tuyến tính LQR và bộ điều khiển Fuzzy-LQR.
Lập trình trên Matlab, tiến hành mô phỏng và so sánh kết quả điều khiển cân bằng
hệ xe đạp.

-

Xây dựng chương trình nhúng giải thuật điều khiển cho vi điều khiển STM32F4.

-

Tiến hành điều khiển cân bằng hệ xe đạp trên mơ hình thực tế đã xây dựng.

1.4 Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu được áp dụng để thực hiện luận văn này là phân tích lý
thuyết, mơ phỏng trên máy tính và áp dụng kết quả vào thực nghiệm
1.4.1 Phân tích lý thuyết
Là nghiên cứu các lý thuyết cơ sở liên quan đến việc thiết kế bộ điều khiển tồn
phương tuyến tính và bộ điều khiển Fuzzy-LQR, dựa trên cơ sở các lý thuyết này sẽ phân
tích cho mơ hình cụ thể được sử dụng trong luận văn.
1.4.2 Mơ phỏng trên máy tính
Sau khi đã xây dựng xong các thuật toán đều khiển dưới dạng lý thuyết sẽ tiến hành
mô phỏng trên Matlab để kiểm chứng sự hoạt động của bộ điều khiển, trên kết quả mô
phỏng sẽ rút ra các nhận xét về thuật toán và kinh nghiệm khi áp dụng bộ điều khiển vào
đối tượng thực

1.4.3 Áp dụng kết quả vào thực nghiệm
Để kiểm chứng tính đúng đắn của các bộ điều khiển thiết kế bằng lý thuyết ta sẽ
nhúng giải thuật điều khiển xuống vi xử lý và các khâu chấp hành để điều khiển đối
tượng thực, kết quả thực tế giúp ta nhìn nhận chính xác cho chất lượng của bộ điều khiển
đã được thiết kế.


11
1.5 Sơ lược nội dung luận văn
Luận văn có cấu trúc 5 chương với những nội dung sau:
➢ Chương 1: Tổng quan đề tài.
Giới thiệu đề tài, một số nghiên cứu liên quan, mục tiêu của đề tài và phương
pháp nghiên cứu.
➢ Chương 2: Thiết kế và mơ hình hóa xe đạp tự cân bằng.
Phần đầu chương này trình bày thiết kế phần cơ khí và phần điện của mơ hình xe
đạp thực tế mà tác giả thực hiện. Tiếp đến là phần mơ hình hóa mơ hình đã thiết
kế. Cách xác định các thơng số của mơ hình đã xây dựng cũng sẽ được trình bày
trong chương này.
➢ Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển cho hệ xe đạp tự cân bằng.Trình bày cơ sở
lý thuyết các bộ điều khiển được sử dụng (LQR và Fuzzy-LQR). Sau đó áp dụng
vào mơ hình xe đạp của đề tài với các thông số đã xác định ở Chương 2.
➢ Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển thực nghiệm
Trình bày cách đo góc nghiêng của xe đạp bằng cảm biến với bộ lọc Kalman,
cách xây dựng chương trình nhúng giải thuật cho vi điều khiển SMT32F4 bằng
Matlab/Simulink với thư viện hỗ trợ Waijung Blockset.
➢ Chương 5: Kết quả và hướng phát triển.
Trình bày các kết quả mô phỏng và thực nghiệm, đánh giá kết quả đạt được và
hướng phát triển của đề tài.



12

CHƯƠNG 2 - THIẾT KẾ VÀ MƠ HÌNH HĨA
XE ĐẠP TỰ CÂN BẰNG
2.1 Thiết kế xe đạp tự cân bằng
2.1.1 Phần cơ khí
-

Mơ hình xe đạp được thiết kế trên phần mềm SolidWorks. Phần mềm có khả năng
hỗ trợ tính tốn trọng tâm và moment qn tính của hệ thống nếu được cung cấp
khối lượng riêng của các vật liệu trong mơ hình, qua đó giúp tác giả có thể ước
lượng gần đúng các thơng số của mơ hình.

Hình 2.1: Thiết kế cơ khí mơ hình xe đạp tự cân bằng dùng phần mềm SolidWorks

Hình 2.2: Mơ hình xe đạp tự cân bằng sau khi hồn thành
-

Thiết kế cơ khí của hệ xe đạp nhằm đáp ứng mục tiêu nghiên cứu là giữ cân bằng
cho xe ở trạng thái đứng n hoặc di chuyển thẳng nên khơng có phần bẻ lái.