Cách lắp ráp chế tạo xe 2 bánh tự cân bằng

Bạn đang muốn tìm hiểu về Robot 2 bánh tự cân bằng? Bài viết này sẽ cho bạn kiến thức hữu ích về nó và đặc biệt là hướng dẫn bạn chi tiết cách lắp ráp và làm Robot tự cân bằng 2 bánh đó nhé!

I. Một vài thông tin cơ bản về Robot 2 bánh tự cân bằng​

Robot 2 bánh tự cân bằng Arduino hiện nay trên thị trường được bán rất nhiều và dễ dàng tiến hành lắp ráp với những bạn yêu công nghệ và khoa học. Robot hai bánh tự cân bằng là thành quả nghiên cứu và tạo ra một Robot di chuyển cân bằng trên hai bánh mà các bạn thường thấy ứng dụng của nó với xe hai bánh tự cân bằng khá phổ biến trong thời gian gần đây.


Bản chất của xe hai bánh tự cân bằng là một hệ thống phi tuyến tính bất ổn định, điều này khiến nhiều hàng sản xuất Robot và nhà nghiên cứu quan tâm, cũng như luôn tạo ra những thuật toán mới phù hợp và có thiết kế ấn tượng để điều khiển phù hợp nhất giúp xe di chuyển được cân bằng và hoạt động một cách ổn định.

Bạn yêu công nghệ và đang muốn tìm hiểu về cách làm Robot hai bánh tự cân bằng cho bản thân? Vậy hãy cùng đọc ngay những thông tin hữu ích được chia sẻ trong phần tiếp theo của bài viết này nhé!

II. Các chi tiết cần thiết để lắp ráp và thiết kế​

Để tạo ra được một Robot tự cân bằng hai bánh, điều đầu tiên mà các bạn cần chuẩn bị bộ thiết bị gồm các chi tiết như sau:

• Arduino Pro Mini.
• Module GY-521 với MPU-6050.
• Bộ chuyển đổi 5V.
• Trình điều khiển cơ động Pololu DRV8833.
• Cảm biến khoảng cách siêu âm US-020.
• 3 Board PCB kích thước 4cmx6cm.
• Pin và nguồn NCR18650.
• Cặp động cơ bánh răng kim loại sử dụng loại N20,6V, 200 vòng/phút và các giá đỡ.
• 8 trụ đệm Nylon 25cm và 4 đai ốc nhựa.

Ngoài ra thì các bạn cũng cần chuẩn bị thêm một số nút công tắc và dây nối nữa nhé! Chuẩn bị đầy đủ bộ thiết bị cần thiết, cùng đi tìm hiểu cách thức tạo ra robot 2 bánh tự cân bằng Arduino với hướng dẫn chi tiết từng bước trong phần tiếp theo nhé!

III. Hướng dẫn làm Robot 2 bánh tự cân bằng chi tiết và đầy đủ​

Để tạo ra Robot tự cân bằng 2 bánh các bạn cùng đi tìm hiểu chi tiết qua hướng dẫn đầy đủ các bước thực hiện dưới đây nhé!

1. Bước 1: Nắm rõ lý thuyết​

Robot tự cân bằng chính là một con lắc ngược, con lắc này không thể tự cân bằng được mà nó sẽ bị ngã. Vậy làm thế nào để cân bằng được nó? Để cân bằng Robot thì các bạn cần điều khiển bánh xe theo hướng nó rơi xuống để đảm bảo giữ được trọng tâm của Robot luôn ở vuông góc với mặt đất.


Để có thể điều khiển được động cơ, các bạn cần một số thông tin về trạng thái của Robot, nắm được hướng mà Robot đang ngã xuống, Robot sẽ nghiêng bao nhiêu và tốc độ ngã xuống của nó như thế nào. Tất cả các thông tin này, các có số liệu cụ thể được thu thập từ MPU6050. Sau đó tiến hành kết hợp chúng với tất cả các đầu vào để tạo ra một tín hiệu điều khiển động cơ giúp xe hai bánh giữ được cân bằng.

2. Bước 2: Tiến hành lắp ráp robot 2 bánh tự cân bằng​

Đầu tiên các bạn cần tiến hành lắp hoàn thành mạch và cấu trúc của Robot hai bánh tự thăng bằng. Robot này được lắp trên 3 khung đặt cách nhau 25mm và sử dụng miếng đệm bằng nylon. Lưới dưới cùng của khung sẽ chứa 2 động cơ; lớp giữ chứa bộ điều khiển, IMU và mô đun điều chỉnh tăng 5V; lớp trên cùng cho một công tắc, pin và cảm biến khoảng cách siêu âm.

Các bạn cần có một sơ đồ thể hiện rõ ràng các vị vị trí đặt từng phần, dựa vào sơ đồ đó để tiến hành lắp đặt các chi tiết, nối khung và hán các bộ phận với nhau. Sử dụng hai module điều chỉnh điện áp riêng để điều khiển động cơ. Bạn nên tách bộ điều chỉnh điện áp cho động cơ và bộ điều khiển với nhau, thêm tụ 10uF tại các đầu nối nguồn để chương trình hoạt động hiệu quả hơn.

3. Bước 3: Sử dụng gia tốc kế để đo góc nghiêng​

Con quay hồi chuyển 3 trục và MPU6050 có gia tốc kế 3 trục sử dụng để đo gia tốc dọc theo ba trục và con quay hồi chuyển đo về tốc độ góc ba trực. Để có thể đo góc nghiêng của Robot 2 bánh tự cân bằng, các bạn cần có giá trị gia tốc dọc theo trục y và z của hàm atan2 cho biết góc có đơn vị là Radian giữa trục z của mặt phẳng với điểm được tạo bởi tọa độ (z, y) trên mặt phẳng đó. Còn đối với dấu dương cho góc ngược chiều kim đồng hồ, y > 0 và dấu âm cho góc theo chiều kim đồng hồ với y < 0. Bạn sử dụng dữ liệu từ MPU6050 để dùng và tiến hành tải code được tạo ra và xem cách góc nghiêng khác nhau về số liệu như thế nào.

Lúc này, bạn hãy thử di chuyển Robot về phía sau và phía trước khi nó vẫn giữ độ nghiêng của một góc cố định nào đó. Bạn sẽ thấy trong màn hình nối tiếp đột nhiên góc hiển thị sẽ có sự thay đổi.

4. Bước 4: Dùng con quay hồi chuyển đo góc nghiêng​

Dọc theo 3 trục, con quay hồi chuyển 3 trực MPU6050 đó tốc độ góc. Đối với Robot tự cân bằng 2 bánh, vận tốc góc dọc theo trục x là đã đủ để có thể đo tốc độ ngã. Giá trị con quay hồi chuyển trục x chuyển đổi thành độ/giây và được nhân với thời gian vòng lặp để có sự thay đổi về góc. Để có được góc hiện tại, các bạn cần cộng nó với góc trước.

Khi chương trình bắt đầu chạy, vị trí của MPU6050 là điểm nghiêng bằng 0, góc nghiêng sẽ được đo đối với điểm này. Để xác định góc tăng hoặc giảm dần thì giữ Robot của bạn ổn định ở một góc cố định. Để lấy mẫu chính xác bạn cần sử dụng bộ ngắt hẹn giờ để tạo khoảng thời gian đủ, nó cũng là khoảng thời gian để tạo đầu ra bằng bộ điều khiển PID.

5. Bước 5: Lọc bổ sung để kết hợp các kết quả đo với nhau​

Với hai nguồn khác nhau các bạn có hai phép đo góc đó là: Phép đo từ con quay hồi chuyển dần dân sai nhiều so với giá trị thực và phép đo từ gia tốc bị ảnh hưởng bởi chuyển động ngang đột ngột. Tín hiệu thời gian ngắn hoặc dài gây ảnh hưởng đến đọc gia tốc. Những số liệu này theo cách nào đó bổ sung tín hiệu cho nhau. Bạn có thể sử dụng bộ lọc bổ sung đẻ kết hợp cả hai cách và cho ra một phép đo góc ổn định và chính xác hơn rất nhiều.


Bộ lọc bổ sung về cơ bản là một bộ lọc thấp tác động lên gia tốc và một bộ lọc thông cao tác động lên con quay hồi chuyển để lọc giá trị và nhiễu từ phép đo. Bộ lọc thông cao cho phép bất kỳ tín hiệu nào ngắn hơn trong khoảng thời gian lọc đi qua và bộ lọc thông thấp cho phép bất kù tin hiệu nào dài hơn trong khoảng thời gian lọc này có thể đi qua. Đặc biệt, nếu giảm hằng số thời gian thì pháp tăng gần như cho giá trị chính xác nhất.

Để loại bỏ lỗi bù tộc đó và con quay hồi chuyển bạn cần sử dụng code lập trình chuẩn để hiệu chỉnh việc bù trừ của MPU6050.

6. Bước 6: Tiến hành điều khiển PID để tạo đầu ra​

PID tên đầy đủ là Proportional, Integral và Derivative là một thuât ngữ chỉ đến các hành động cho Robot tự cân bằng.

• Proportional – tạo ra 1 phản ứng tỷ lệ thuận với lỗi, lỗi chính là góc nghiêng của Robot.
• Integral – tạo ra một phản ứng dựa trên các lỗi tích lũy, nó là tổng tất cả các lỗi nhân lại với khoảng thời gian lấy mẫu. Nó dựa vào hành vi của hệ thống trong quá khứ.
• Derivative – tỷ lệ với đạo hàm của lỗi, nó thể hiện sự khác nhau của lối quá khứ và lối hiện tại, nó đóng vai trò dự đoán nên cách giúp Robot hoạt động trong vòng lấy lấy tiếp theo như thế nào.

Các bạn chỉ cần lấy mối thuật ngữ trên nhân với các hằng số tương ứng và lấy tổng kết quả lại thì sẽ tạo ra được đầu ra để điều khiển động cơ.

7. Bước 7: Điều chỉnh hằng số PID cho phù hợp​

Để điều chỉnh hằng số PID bạn cần chú ý đến một số vấn đề như:

• Đặt Kd và Ki về 0, sau đó tăng dần Kp sao cho Robot bắt đầu dao động về vị trí 0.
• Để phản ứng của Robot nhanh hơn khi mất cân bằng cần tăng Ki và Ki phải đủ lớn khiến góc miền không tăng, lúc này Robot sẽ quay trở lại vị trí 0 khi nó nghiêng.
• Để giảm dao động cần tăng Kd, cũng nên giảm các Overshoots.
• Để đạt được kết quả tốt nhất, các bạn cần tiến hành lặp lại các bước trên bằng cách tinh chỉnh với từng thông số.

8. Bước 8: Thêm cảm biến về khoảng cách​

Sử dụng cảm biến khoảng cách siêu âm sử dụng là US-020, cảm biến này có bốn chân là Echo, Vcc, Trig và Gnd và được cấp nguồn 5V. Các chấn Echo và Trigger tương ứng với các chân số 8 và số 9 của Arduino. Để lấy giá trị khoảng cách từ cảm biến, các bạn cần sử dụng thư viện NewPing. Nhờ đó mà nó có thể điều khiển Robot xoay vòng tránh chướng ngại vật phía trước trong khoảng từ 0 – 20cm.

9. Bước 9: Code và hoàn thành sản phẩm robot 2 bánh tự cân bằng​

Các bạn cần xây dựng code để đưa vào bộ sản phẩm đã được thiết kế và lắp ráp ở trên. Hiện nay trên mạng có rất nhiều website cung cấp đoạn mã code cho bạn sử dụng đó nhé! Các bạn hãy tìm nguồn đáng tin cậy để dùng và hoàn tất sản phẩm Robot 2 bánh tự cân bằng của mình nhé!

Như vậy, những chia sẻ trong bài viết này mang đến cho bạn lượng thông tin bổ ích về robot 2 bánh tự cân bằng đó nhé! Bạn có thể dựa theo hướng dẫn để tạo sản phẩm hoàn chỉnh cho bản thân.