Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển xe điện cá nhân

ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 18/Tháng 6 - 2018 Journal of Science and Technology 15
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN XE ĐIỆN CÁ NHÂN 
Phạm Quốc Thái
Khoa Cơ khí Giao thông, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng
Ngày tòa soạn nhận được bài báo: 08/05/2018 
Ngày phản biện đánh giá và sửa chữa: 11/06/2018
Ngày bài báo được duyệt đăng: 15/06/2018
Tóm tắt:
Bài báo này mô tả nghiên cứu, thiết kế và chế tạo xe điện cá nhân, nhỏ gọn, thân thiện với môi 
trường, vận hành linh hoạt trong khu vực người đi bộ, trong khuôn viên trường đại học, khu vực sân bay. 
Ngoài ra, hệ thống hỗ trợ an toàn cũng được đề xuất trong nghiên cứu này. Hệ thống hỗ trợ an toàn có thể 
xác định được vùng an toàn của người đi bộ xung quanh và báo cho người điều khiển xe biết, giúp vận hành 
xe một cách an toàn và thoải mái trong khu vực người đi bộ. Kết quả thử nghiệm cho thấy, xe điện cá nhân 
vận hành ổn định với tốc độ tối đa có thể lên đến 10 km/h và tải trọng có thể lên đến 150 kg, và hiệu quả 
của hệ thống an toàn cũng được xác nhận rõ ràng.
Từ khóa: Xe điện cá nhân, không gian riêng, người đi bộ, hệ thống giao thông.
1. Giới thiệu
Sự phát triển mạnh mẽ của nghành công 
nghiệp ô tô đã mang lại nhiều thuận tiện trong đời 
sống. Tuy nhiên, số lượng ô tô ngày càng tăng gây 
ra nhiều vấn đề về môi trường, nhiên liệu ngày càng 
cạn kiệt. Nhiều nhà khoa học trên thế giới đã đề 
xuất nhiều giải pháp nghiên cứu cho vấn đề này như 
sử dụng nguồn nhiên liệu thay thế, sử dụng ô tô 
điện, ô tô Hybrid. Trong những năm gần đây, các 
thành phố lớn đã bắt đầu xu hướng sử dụng xe điện 
cá nhân như Segway [1], yooPT [2], Winglet [3]. 
Các phương tiện giao thông cá nhân này có nhiều 
ưu điểm như: thân thiện, nhỏ gọn, và tiện lợi để sử 
dụng trong khu vực người đi bộ, vỉa hè và khu vực 
mua sắm [4]. Tuy nhiên, các phương tiện giao thông 
cá nhân này được chính thức vận hành trong khu 
vực người đi bộ cần phải xem xét yếu tốt an toàn và 
yếu tố tâm lý của những người đi bộ xung quanh. 
Trong những năm qua, có nhiều nghiên cứu 
về ảnh hưởng của các yếu tố tâm lý đến phương tiện 
giao thông hoặc robot như: Butler et al. đã nghiên 
cứu sự tương tác giữa con người và robot [5]. 
Walters et al. đã phân tích sự tương tác giữa người 
và robot dựa trên giả thuyết về sự tác động đến xã 
hội của con người [6]. Nghiên cứu này sẽ phát triển 
hệ thống điều khiển và an toàn cho xe điện cá nhân. 
Phần còn lại của bài báo được cấu trúc như 
sau. Phần 2 giới thiệu về khái niệm hệ thống trợ 
giúp cho xe điện cá nhân dựa vào lý thuyết không 
gian riêng. Phần 3 thiết kế hệ thống điều khiển cho 
xe điện cá nhân. Phần 4 kết quả nghiên cứu. Phần 
kết luận và hướng phát triển của đề tài được mô tả 
trong phần 5.
2. Cơ sở về hệ thống hỗ trợ xe điện cá nhân
Hệ thống an toàn cho xe điện cá nhân được 
bắt nguồn từ khái niệm không gian riêng (Personal 
Space (PS)). PS được đề xuất bởi Edward T. Hall, 
1966, là không gian xung quanh một người nào đó 
mà họ sẽ cảm thấy không thoải mái nếu bị xâm phạm 
bởi người khác [7]. Hình 1 minh họa về không gian 
cá nhân của một người.
 Hình 1. Minh họa về không gian cá nhân
Hệ thống hỗ trợ xe điện cá nhân nhận biết 
vùng không gian riêng của người đi bộ xung quanh 
thông qua các cảm biến siêu âm và báo cho người 
điều khiển xe biết khi xe chiếm vào vùng không 
gian riêng của người đi bộ. Từ đó, người lái điều 
khiển xe thoát khỏi không gian của người đi bộ.
Trong suốt quá trình tránh, hệ thống sẽ kết 
hợp với tài xế để giúp cho xe thoát ra khỏi vùng 
không gian riêng nhanh hơn, như minh họa như trên 
Hình 2.
ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology16 Khoa học & Công nghệ - Số 18/Tháng 6 - 2018
Hình 2. Lưu đồ hệ thống hỗ trợ xe điện cá nhân
3. Phát triển hệ thống điều khiển xe điện cá nhân
3.1. Mô hình xe điện cá nhân
Để vận hành linh hoạt trong khu vực người 
đi bộ, xe được thiết kế nhỏ, dẫn động từ 2 động cơ- 
điện độc lập (Hình 3). Bảng 1 mô tả các thông số 
của xe được thiết kế.
 Hình 3. Hình dáng của xe điện thiết kế
Bảng 1. Thông số thiết kế của xe
STT Thông số Đơn vị Giá trị
1 Kích thước mm 950x750x1000
2 Khoảng cách gầm 
xe đến mặt đường
mm 100
3 Trọng lượng xe 
không tải
kg 20
4 Công suất động 
cơ điện
W 2x200
5 Tốc độ tối đa km/h 10
6 Tải trọng kg 150
3.2. Thiết kế hệ thống điều khiển chuyển động
Bộ điều khiển trung tâm sẽ liên tục nhận tín 
hiệu từ cảm biến tay ga và tín hiệu từ cảm biến tốc 
độ của hai động cơ điện. Từ đó, tính toàn và đưa 
ra tín hiệu điều khiển tốc độ xe phù hợp với mong 
muốn của người điều khiển. Hình 4 mô tả sơ đồ khối 
hệ thống điều khiển chuyển động xe điện thiết kế.
Hình 4. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển chuyển động 
xe điện
Việc điều khiển xe tiến, lùi, quay phải, quay 
trái dựa vào việc thay đổi tốc độ, chiều quay của 2 
động cơ dẫn động 2 bánh xe. 
Tốc độ góc của mỗi bánh xe:
Bánh xe phía ngoài: ~
outter
 = ~S + T~/2
Bánh xe phía trong: ~
inner
 = ~S - T~/2
Khi xe thực hiện tiến thẳng tới phía trước 
hoặc lùi thẳng về phía sau: tốc độ góc bánh xe hai 
phía sẽ bằng nhau, lúc này độ chênh lệch tốc độ góc 
(T~) sẽ bằng không. Khi xe thực hiện quay trái 
hoặc quay phải thì tốc độ góc của hai bánh xe sẽ 
chênh lệch nhau một lượng là T~ , sự chênh lệch 
này phụ thuộc vào tín hiệu góc quay tay lái, được 
xác định bởi cảm biến góc lái. Hai mạch công suất 
được sử dụng để điều khiển hai động cơ điện.
ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 18/Tháng 6 - 2018 Journal of Science and Technology 17
3.3. Hệ thống hỗ trợ an toàn
Hệ thống hỗ trợ an toàn xe điện cá nhân giúp 
người lái xe nhận biết khoảng cách của người xung 
quanh thông quá các cảm biến siêu âm và hệ thống 
báo cho người lái xe biết tình trạng chiếm không 
gian riêng thông qua các thiết bị cảnh báo như: LED 
và motor rung, được đặt trên tay cầm điều khiển. 
Sau đó, hệ thống sẽ hỗ trợ xe thoát ra nhanh hơn 
khỏi khu vực phía trước bằng cách tăng góc quay 
của xe tùy thuộc vào khoảng cách của xe và người 
đi bộ. Hình 5 mô tả sơ đồ khối hệ thống hỗ trợ an 
toàn.
Hình 5. Sơ đồ khối hệ thống hỗ trợ an toàn
Khi xe tiến sâu vào vùng không gian cá nhân 
của người phía trước thì tỉ lệ chiếm chỗ càng lớn, 
khoảng cách của xe và người phía trước càng gần 
thì góc quay cũng sẽ tăng lên để hỗ trợ người lái 
thoát nhanh ra khỏi vùng không gian chiếm chỗ, 
được thể hiện như trên Hình 7.
Hình 6. Hệ số điều chỉnh K
ps
 theo tỷ lệ chiếm chỗ
Khi xe thực hiện quay trái hoặc quay phải thì 
tốc độ góc của hai bánh xe sẽ chênh lệch nhau một 
lượng là T~ , sự chênh lệch này phụ thuộc vào góc 
quay tay lái và tỷ lệ chiếm chỗ (KPS ). Hình 6 thể mô 
tả quan hệ giữa KPS và tỷ lệ chiếm chỗ.
Hình 7. Lưu đồ thuật toán hệ thống hỗ trợ an toàn
3.4. Thiết kế mạch điều khiển
Bộ điều khiển cho xe điện sử dụng vi điều 
khiển Arduino Mega 2560, có 256 KB bộ nhớ 
Flash, 8KB SRAM và tần số hoạt động 16 MHz. 
Ngoài ra, vi điều khiển này còn được trang bị 3 bộ 
định thời và 6 ngắt. Do đó, vi điều khiển Arduino 
Mega 2560 có đủ khả năng đáp ứng được bài toán, 
điều khiển nhiều loại động cơ và xử lý song song 
nhiều luồng dữ liệu, cần thiết hỗ trợ cho người lập 
trình vi điều khiển, kết nối nó với máy tính bằng 
cable USB. Hình 8 mô tả cấu trúc của vi mạch điều 
khiển xe điện cá nhân. Hình 9 mô tả hình ảnh của vi 
điều khiển được chọn làm bộ điều khiển trung tâm.
Hình 8. Sơ đồ mạch điều khiển xe điện
k P
S_
m
ax
H
ệ 
số
 g
óc
 q
ua
y 
(k
PS
)
I (%)
kPS = kc I
ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology18 Khoa học & Công nghệ - Số 18/Tháng 6 - 2018
Hình 9. Vi điều khiển Arduino Mega 2560
Để điều khiển động cơ điện một chiều với 
dòng điện lớn, cần phải sử dụng mạch công suất. 
Trong nghiên cứu này, mạch công suất MDL-
BDC24 của hãng Texas Instruments được sử dụng 
để điểu điều khiển động cơ, thông qua tín hiệu đầu 
vào PWM từ vi điều khiển.
Hình 10. Sơ đồ mạch công suất điều khiển động 
cơ điện
Mạch điều khiển công suất này sử dụng 
mạch cầu H với Transistor công suất (MOSFET), 
cho phép điều khiển động cơ 24V DC có dòng lên 
đến 40 A. Hình 10 mô tả sơ đồ mạch công suất 
MDL-BDC24. Xe điện thiết kế sử dụng 2 mạch 
công suất MDL-BDC24 để điều khiển 2 động cơ 
điện 24V DC, 200W như trên Hình 11.
Hình 11. Động cơ điện
Trong nghiên cứu này, để xác định khoảng 
cách giữa xe và những người đi bộ xung quanh, 3 
cảm biên siêu âm XL-MaxSonar-EZ1 được trang 
bị. Cảm biến này có độ nhạy cao và khoảng cách đo 
lớn phù hợp cho việc dò người đi bộ xung quanh xe 
điện. được thể hiện như trên Hình 12.
Hình 12. Cảm biến siêu âm
Ngoài ra, màn hình LCD được bố trí trên 
xe để hiển thị thông tin về tốc độ và tỷ lệ chiếm 
chỗ của xe. Bên cạnh đó, động cơ rung nhỏ (micro-
vibration motor) cũng được bố trí trên tay cầm giúp 
cho người điều khiển xe phát hiện khi đi vào vùng 
không an toàn của người đi xung quanh, được hiển 
thị như trên Hình 13. 
Hình 13. Động cơ rung
Cường độ rung của động cơ được điều khiển 
theo tỷ lệ chiếm chỗ và cường độ này tăng khi tỷ lệ 
chiếm chỗ lớn. Điều này giúp người điều khiển xe 
nhận ra được mức độ chiếm chỗ không gian riêng 
của người đi bộ, được thể hiện như trên Hình 14.
Hình 14. Cường độ rung theo tỷ lệ chiếm chỗ
4. Kết quả
Tác giả đã nghiên cứu, thiết kế và lắp đặt 
xe điện cá nhân được trang bị hệ thống điều khiển, 
hỗ trợ an toàn. Quá trình thử nghiệm cho thấy xe 
điện vận hành ổn định với tốc độ có thể lên đến 10 
km/h và tải trọng 150 kg, được minh họa trên hình 
Hình 15.
C
ườ
ng
 đ
ộ 
ru
ng
 [
G
al
]
Tỷ lệ chiếm chỗ [%]
ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 18/Tháng 6 - 2018 Journal of Science and Technology 19
Hình 15. Thử nghiệm xe điện thiết kế
5. Kết luận và hướng phát triển
Trong bài báo này, hệ thống điều khiển xe 
điện cá nhân sử dụng lý thuyết về không gian riêng 
được phát triển, làm cơ sở để nghiên cứu và phát 
triển phương tiện giao thông cá nhân thân thiện với 
môi trường và con người, vận hành linh hoạt trên 
các địa hình bằng phẳng như sân bay, nhà xưởng, 
khuôn viên trường đại học.
Tuy nhiên, để xe điện cá nhân được phép 
đưa vào sử dụng, cần tiếp tục thử nghiệm trong các 
điều kiện khác nhau và cần phải có sự đánh giá của 
người điều khiển xe cũng như những người đi bộ 
xung quanh. Ngoài ra, trong nghiên cứu tiếp theo, 
cần tiếp tục nghiên cứu tối ưu hóa góc lái theo tỷ lệ 
chiếm chỗ.
Tài liệu tham khảo
[1]. Segway - The leader in personal, green transportation, 
[2]. Toyota | personal mobility | Winglet, 
winglet.html.
[3]. yooPT your personal transporter, 
[4]. Suda Yoshihiro, Vehicle Dynamics and Control for Sustainable Transport. 13th Asia Pacific 
Vibration Conference, 2009, pp. 1–11.
[5]. J. Butler and A. Agah, Psychological effects of behavior patterns of a mobile personal robot, 
Autonomous Robots, 2002, pp. 185–202.
[6]. M. L. Walters, K. Dautenhahn, R. Boekhorst, C. Kaouri, S. Woods, C. Nehaniv, D. Lee, and 
I. Werry, The influence of subjects’ personality traits on personal spatial zones in a human–robot 
interaction experiment. Proceedings of IEEE International Workshop on Robot and Human 
Interactive Communication, 2005, pp. 347–352.
[7]. Hall, E.T., The Hidden Dimension. Anchor Books, New York, 1982.
DEVELOPMENT OF THE CONTROL SYSTEM FOR AN PERSONAL ELECTRIC VEHICLE
Abstract:
This study describes the design and implementation of a personal electric vehicle that is 
environmentally-friendly, compact, and convenient to use in pedestrian areas such as sidewalks, campus 
and airport areas. Furthermore, an assistance system for the vehicle that supports the driver in recognizing 
the psychological strain of surrounding pedestrians and informing the driver about the invasion of the 
PMV using a vibrator and indicator was proposed. The experimental results revealed that the vehicle was 
operated stably at the maximum speed of 10 km/h and the maximum load of 150 kg, and the effectiveness of 
the assistance system was clearly confirmed.
Keywords: Personal electric vehicle, personal space, pedestrian, transportation system.