Nghiên cứu và chế tạo phương tiện di chuyển cá nhân đồ án tốt nghiệp ngành công nghệ kỹ thuật ô tô

GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI

Dự án này được khởi nguồn từ nhận định của huyền thoại Steve Jobs về xe điện cá nhân, khi ông cho rằng: "Dự án này có ý nghĩa lớn giống như sự ra đời của PC".

Hiện nay, các phương tiện di chuyển cá nhân đang ngày càng phổ biến, nhờ vào sự phát triển của khoa học kỹ thuật và nhu cầu di chuyển thiết yếu của con người Xu hướng này thể hiện rõ ràng trên các tuyến đường đi bộ và tại các trung tâm thương mại.

Phương tiện di chuyển cá nhân mang lại sự thuận tiện cho người dùng trong việc đi làm và tận hưởng thời gian giải trí khi điều khiển trên hai, ba hoặc bốn bánh Việc nạp điện cho phương tiện vào ban đêm hoặc trong ngày giúp người dùng sẵn sàng cho những chuyến đi Những người đi mua sắm, nhân viên công viên và lao động trong kho bãi sẽ được hưởng lợi từ việc rút ngắn quãng đường so với việc đi bộ Do đó, chúng ta cần kết hợp các cảm biến giá thành thấp và xử lý tín hiệu để tạo ra một phương tiện cá nhân chính xác với chi phí hợp lý.

Mô hình là một chiếc xe gồm bốn bánh được gắn trên sàn xe được làm từ sắt

Phía trên là một sàn inox để cho người điều khiển đứng lên Trên mô hình sử dụng hai

Smart Driver PID được sử dụng để điều khiển hai động cơ, cho phép điều chỉnh tốc độ động cơ theo ý muốn Để thực hiện điều này, chúng ta sử dụng hai biến trở kết hợp với board mạch Arduino.

Để điều khiển xe Nano, người dùng chỉ cần nhấn hai công tắc hành trình, giúp hệ thống board mạch điều khiển trung tâm xử lý tín hiệu Hệ thống sử dụng phương pháp điều khiển xung PWM để gửi tín hiệu tới hai Driver, điều khiển hai động cơ Từ các tín hiệu đo và các đại lượng đặc trưng như khối lượng người lái, khối lượng bánh xe, chiều cao khung xe và đường kính bánh, ta có thể tính toán momen cần thiết Qua đó, xác định giá trị điều khiển phù hợp cho bánh xe, đảm bảo mô hình di chuyển với vận tốc ổn định.

Hệ thống mô hình được điều khiển bằng một Arduino Nano R3 Đây là bộ điều

Các động cơ đơn giản có khả năng xử lý và thực thi chương trình với tốc độ cao, cho phép tính toán các giá trị đầu vào từ cảm biến và phát tín hiệu đầu ra điều khiển cho mạch động cơ Đây là một phương tiện giải trí mới của tương lai, giúp người dùng hoàn thành công việc hoặc thư giãn mà không tiêu tốn nhiều năng lượng Phương tiện di chuyển cá nhân bằng điện này có nhiều ưu điểm như gọn nhẹ, dễ dàng di chuyển trong thành phố, thuận tiện mang theo trong túi xách, và dễ sử dụng cho cả người lớn lẫn trẻ nhỏ.

KHÁI QUÁT VỀ PHƯƠNG TIỆN DI CHUYỂN CÁ NHÂN

Khi lựa chọn phương tiện cá nhân, cần chú ý đến các yếu tố như số lượng bánh xe, loại pin, tốc độ tối đa, trọng tải tối đa và thời gian sạc điện Thiết kế của các phương tiện này rất đa dạng, với một số mẫu phù hợp cho việc di chuyển trên làn đường, trong khi những mẫu khác có khả năng vượt qua địa hình gồ ghề Kỹ năng sử dụng cũng là yếu tố quan trọng, cùng với số lượng và kiểu loại bánh xe Trọng lượng của phương tiện cũng khác nhau, ảnh hưởng đến khả năng di chuyển Ngoài ra, việc nắm rõ quãng đường có thể di chuyển giữa mỗi lần sạc và tốc độ cũng rất cần thiết để đảm bảo thời gian đến điểm đến.

Số lượng bánh xe của các phương tiện cá nhân thường dao động từ một đến bốn, với kích cỡ bánh xe khác nhau Bánh xe lớn hơn giúp xe di chuyển ổn định hơn, trong khi một số bánh xe được thiết kế để hiệu quả trên đường phố, và một số khác lại phù hợp cho việc di chuyển trên địa hình gồ ghề Một số mẫu xe còn được trang bị vỏ bọc ngoài để cải thiện khả năng vận hành, nhưng tính năng này không phổ biến trên tất cả các phương tiện di chuyển cá nhân.

Loại pin và thời gian sạc đầy của phương tiện di chuyển cá nhân có ảnh hưởng lớn đến sự lựa chọn của người dùng Việc kiểm tra thời gian sử dụng và quãng đường di chuyển mà không cần nạp điện lại là điều quan trọng Bên cạnh đó, kích cỡ và trọng lượng của pin cũng cần được xem xét kỹ lưỡng, đặc biệt nếu bạn có kế hoạch di chuyển trên những quãng đường dài.

Có 8 phương tiện cá nhân mà bạn có thể sử dụng để đến một địa điểm đặc biệt, hoặc có thể cất giữ khi không còn cần thiết Bên cạnh đó, trọng lượng tổng thể của phương tiện cũng là một yếu tố quan trọng cần xem xét Cuối cùng, tốc độ tối đa của từng phương tiện cũng ảnh hưởng đến sự lựa chọn của bạn.

Tốc độ là yếu tố quan trọng đối với người dùng phương tiện di chuyển cá nhân, giúp họ di chuyển nhanh chóng từ địa điểm này đến địa điểm khác, nhanh hơn so với đi bộ Thông thường, tốc độ của các phương tiện cá nhân dao động từ 9 đến 10 km/h Do tốc độ tối đa có sự khác biệt giữa các loại xe điện cá nhân, việc xem xét yếu tố này khi mua sắm là rất cần thiết.

Tổng trọng lượng tối đa mà phương tiện cá nhân có thể chở khác nhau tùy theo loại xe Việc vận chuyển quá tải có thể làm giảm hiệu suất tiêu hao năng lượng Để đảm bảo an toàn và hiệu quả, các nhà sản xuất thường cung cấp thông tin về tải trọng khuyến nghị cho từng loại xe Thời gian sạc điện cũng là một yếu tố quan trọng cần xem xét.

Thời gian sạc pin là yếu tố quan trọng, đặc biệt đối với những ai cần sạc nhanh để phù hợp với lịch trình bận rộn Việc chờ đợi giữa các lần sử dụng có thể gây bất tiện, do đó, khoảng cách di chuyển của phương tiện giữa các lần sạc cũng cần được xem xét kỹ lưỡng.

Các phương tiện cá nhân có thể kể đến như: AirWheel, Boosted, Icarbot, Walkcar, SoloWheel, The EcoBoomer

Hình 1.1 The Walkcar Hình 1.2 Boosted

Hình 1.3 The Icarbot Hình 1.4 AirWheel

Hình 1.5 The SoloWheel Hình 1.6 The EcoBoomer

1.2 CƠ SỞ CHẾ TẠO XE WALKCAR [2]

Walkcar, chiếc xe điện nhỏ nhất thế giới, được phát triển bởi kỹ sư Kuniako Saito Ra mắt vào năm 2015, Walkcar do công ty Nhật Bản Cocoa Motors giới thiệu, với kích thước chỉ bằng một chiếc máy tính bảng và trọng lượng 3 kg Ngay từ khi xuất hiện, sản phẩm này đã thu hút sự chú ý của giới trẻ Nhật Bản, khiến họ háo hức muốn sở hữu một chiếc.

Nguyên lý hoạt động của xe tự cân bằng tương tự như cách di chuyển của con người, với trọng tâm nằm trong mặt chân đế Khi người điều khiển nghiêng về phía trước, xe sẽ tự động tiến lên, và khi nghiêng về phía sau, xe sẽ lùi lại Để giữ thăng bằng, người điều khiển cần điều chỉnh tư thế của mình, giúp xe đứng yên khi thẳng đứng Cách thức này mang lại cảm giác thoải mái và tự nhiên cho người sử dụng.

1.4 ƢU ĐIỂM VÀ NHƢỢC ĐIỂM CỦA XE WALKCAR

- Không ô nhiễm, sử dụng bình điện, và có thể sạc điện

- Sử dụng không gian hiệu quả, đa năng có thể sử dụng trong nhà và ngoài phố

- Khá dễ để lái vòng quanh trong văn phòng, chạy ngang qua cửa ra vào và do tốc độ thấp, di chuyển trong công viên

- Chiếm ít diện tích chỉ bằng một đứa trẻ nên nó không gây tắc nghẽn giao thông

Với hình dáng kì lạ và độc đáo, phương tiện này không chỉ thu hút người sử dụng mà còn gây ấn tượng mạnh mẽ với mọi người xung quanh, phá vỡ những hình ảnh quen thuộc về giao thông hiện nay.

- Có thể làm việc khác trên xe khi điều khiển, chẳng hạn vừa đi vừa nghe điện thoại, hoặc vừa uống nước

- Xe một bánh là một sự lựa chọn thú vị cho những người yêu thích sự khác biệt, những bạn trẻ cá tính

- Cảm thấy hơi mệt mỏi khi phải ngồi lái mà không có ghế tựa lưng

- Xe không đủ nhanh để đi trên đường trường và không đủ an toàn để lên xuống lề đường

- Chỉ vận chuyển một người trên một xe

1.5 NHU CẦU THỊ TRƯỜNG HIỆN NAY

Phương tiện di chuyển cá nhân Walkcar đại diện cho một sự đổi mới hoàn toàn trong cách thức di chuyển Khác với ô tô và xe máy, Walkcar cho phép người dùng điều chỉnh tốc độ một cách đơn giản chỉ bằng hai công tắc dưới chân, mà không cần đến hệ thống phanh phức tạp Điều này mang lại trải nghiệm di chuyển dễ dàng và tiện lợi hơn cho người sử dụng.

Về nhu cầu thị trường hiện nay có thể nói rất lớn

- Xe điện theo kiểu walkcar sẽ là phương tiện di chuyển rất mới và hiện đại tại các thành phố phát triển

- Là phương tiện di chuyển trong trong khu vực chật hẹp có thể di chuyển ngay trong khu dân cư, tòa nhà cao tầng, khuôn viên trường học

- Là phương tiện hữu ích cho người già hay trẻ em

- Dùng trong công nghiệp giải trí, đi lại trong các khu tham quan du lịch

Theo như công ty Cocoa Motors sẽ mở cửa bán cho những người muốn đặt hàng lấy xe WalkCar vào tháng 10 năm 2015 Nó có giá dự kiến là 800 USD.

ƢU ĐIỂM VÀ NHƢỢC ĐIỂM CỦA XE WALKCAR

Nguyên lý hoạt động của xe tự cân bằng tương tự như cách di chuyển của con người Khi người dùng nghiêng về phía trước, xe sẽ di chuyển tới, trong khi khi nghiêng ra sau, xe sẽ lùi lại Để giữ thăng bằng, người dùng cần điều chỉnh vị trí của cơ thể, tương tự như khi con người bước chân để duy trì trọng tâm Khi đứng thẳng, xe sẽ giữ nguyên vị trí tại chỗ.

1.4 ƢU ĐIỂM VÀ NHƢỢC ĐIỂM CỦA XE WALKCAR

- Không ô nhiễm, sử dụng bình điện, và có thể sạc điện

- Sử dụng không gian hiệu quả, đa năng có thể sử dụng trong nhà và ngoài phố

- Khá dễ để lái vòng quanh trong văn phòng, chạy ngang qua cửa ra vào và do tốc độ thấp, di chuyển trong công viên

- Chiếm ít diện tích chỉ bằng một đứa trẻ nên nó không gây tắc nghẽn giao thông

Với hình dáng kì lạ và độc đáo, phương tiện này không chỉ thu hút người sử dụng mà còn gây ấn tượng mạnh mẽ với mọi người xung quanh, phá vỡ những hình ảnh quen thuộc về giao thông hiện nay.

- Có thể làm việc khác trên xe khi điều khiển, chẳng hạn vừa đi vừa nghe điện thoại, hoặc vừa uống nước

- Xe một bánh là một sự lựa chọn thú vị cho những người yêu thích sự khác biệt, những bạn trẻ cá tính

- Cảm thấy hơi mệt mỏi khi phải ngồi lái mà không có ghế tựa lưng

- Xe không đủ nhanh để đi trên đường trường và không đủ an toàn để lên xuống lề đường

- Chỉ vận chuyển một người trên một xe.

NHU CẦU THỊ TRƯỜNG HIỆN NAY

Phương tiện di chuyển cá nhân Walkcar sẽ mang đến một trải nghiệm hoàn toàn mới, khác biệt so với ô tô và xe máy Thay vì phải sử dụng tay ga hoặc chân ga để thay đổi tốc độ, Walkcar chỉ cần hai công tắc đơn giản ở dưới chân, giúp việc di chuyển trở nên dễ dàng hơn Hệ thống phanh phức tạp của ô tô và xe máy không còn cần thiết, tạo ra sự tiện lợi và linh hoạt cho người sử dụng.

Về nhu cầu thị trường hiện nay có thể nói rất lớn

- Xe điện theo kiểu walkcar sẽ là phương tiện di chuyển rất mới và hiện đại tại các thành phố phát triển

- Là phương tiện di chuyển trong trong khu vực chật hẹp có thể di chuyển ngay trong khu dân cư, tòa nhà cao tầng, khuôn viên trường học

- Là phương tiện hữu ích cho người già hay trẻ em

- Dùng trong công nghiệp giải trí, đi lại trong các khu tham quan du lịch

Theo như công ty Cocoa Motors sẽ mở cửa bán cho những người muốn đặt hàng lấy xe WalkCar vào tháng 10 năm 2015 Nó có giá dự kiến là 800 USD

MỤC TIÊU ĐỀ TÀI

Mục tiêu của đề tài là phát triển một thiết bị di chuyển thông minh trên địa hình phẳng, sử dụng kiến thức về lý thuyết ô tô, thiết kế ô tô và dao động tiếng ồn Sản phẩm là phương tiện di chuyển cá nhân bằng điện kiểu Walkcar, kết hợp ưu điểm của xe tự cân bằng, cho phép di chuyển hiệu quả và linh hoạt trong không gian chật hẹp Trong thời gian 15 tuần nghiên cứu và phát triển, nhóm chúng tôi đã đề ra các mục tiêu cụ thể cần thực hiện.

- Tìm hiểu về lí thuyết động lực học, về các phương pháp tính toán lực

- Tính toán các số liệu cần thiết cho quá trình thực hiện mô hình như công suất động cơ, hiệu suất, thời gian di chuyển của xe

- Tìm hiểu về các cảm biến trọng lượng, bộ driver điều khiển động cơ, bộ điều khiển trung tâm Arduino Nano

- Xây dựng mô phỏng cơ khí trên các chương trình ứng dụng solidworks, autocard

- Thiết kế bản vẽ, chế tạo mô hình theo các thông số kích thước thực, có khả năng chịu tải trọng được một người trưởng thành

- Thiết kế mạch điện, các chương trình điều khiển trung tâm

- Lập trình điều khiển xe.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.2.1 Xây dựng mô hình lí thuyết

- Nghiên cứu các mô hình thực tế tương tự đã có của các anh chị đi trước

- Tìm hiểu qua sách vở, internet về mô hình

2.2.2 Xây dựng mô hình thực tế

- Thiết kế khung sườn cơ khí của mô hình

- Tính toán công suất, chọn động cơ điện phù hợp

- Thiết kế mạch điều khiển xoay xe

- Bộ điều khiển trung tâm

- Lập trình điều khiển xe.

LÍ THUYẾT TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC

Phương pháp tính toán động lực học dựa trên sự truyền và biến đổi năng lượng trong hệ thống truyền lực Quá trình này diễn ra khi năng lượng từ động cơ được truyền đến khung xe thông qua hệ thống truyền lực và hệ thống chuyển động, dẫn đến các hiện tượng đặc trưng.

- Một phần năng lượng truyền đi sẽ bị tiêu hao

- Tích lũy năng lượng ở dạng động năng và ở dạng thế năng do tính đàn hồi

Chúng ta khảo sát quá trình truyền năng lượng với các giả thuyết sau

Trong trường hợp truyền động đến nhiều bánh chủ động, giả thiết cho rằng năng lượng được truyền tới từng bánh một cách đồng đều Điều này có nghĩa là chỉ tồn tại một đường truyền năng lượng duy nhất từ động cơ tới khung xe.

- Không để ý đến quá trình chuyển tiếp của các bộ truyền

- Các đặc tính của động cơ và hệ thống truyền lực sẽ giữ nguyên khi chuyển động ổn định và không ổn định

Khi xe chuyển động đều, giả thiết không có tích lũy năng lượng trong hệ, tức là các phần tử được coi là không có khối lượng và cứng tuyệt đối Chúng ta chỉ xem xét quá trình truyền năng lượng khi xe hoạt động ổn định Trong ô tô, năng lượng từ động cơ được truyền đến các bánh xe chủ động qua hệ thống truyền lực Quá trình này được đặc trưng bởi công suất đầu vào P e và công suất đầu ra P k, tương ứng với vận tốc góc và moment: P e = M e ω e và P k = M k ω k.

3.1.1 Cơ sở lý thuyết lực kéo động cơ ô tô

Trong chương này, chúng ta sẽ trình bày hệ thống truyền lực với động cơ đặt ở phía trước và cầu sau chủ động, như được mô tả trong sơ đồ Xe di chuyển trên mặt đường mà không tính đến khối lượng và sự biến dạng của nó.

Hình 3.1: Động cơ đặt trước, cầu sau chủ động

 Công suất có ích của động cơ Pe (kW)

 Số vòng quay của trục khuỷu ne (vòng/phút)

 Moment xoắn của động cơ Me (kN.m)

Mối quan hệ giữa các đại lượng: M e =

Quá trình truyền moment xoắn từ động cơ M e đến các bánh xe chủ động M k và tạo ra lực kéo Fk đến các bánh xe chủ động đều được khuếch đại, thể hiện mối quan hệ chặt chẽ giữa các thành phần này.

F k : Lực kéo đặt tại các bánh xe chủ động

M k : Moment kéo tại các bánh xe chủ động

Moment xoắn của động cơ là một yếu tố quan trọng trong việc xác định hiệu suất hoạt động của xe Tỷ số truyền của hệ thống truyền lực, đặc biệt trong các hệ thống truyền động có cấp, đóng vai trò then chốt trong việc truyền tải sức mạnh từ động cơ đến bánh xe Tỷ số truyền hộp số (i h) và tỷ số truyền của hộp số phụ (i p) đều ảnh hưởng đáng kể đến khả năng tăng tốc và tiết kiệm nhiên liệu của xe.

15 io: Tỷ số truyền của truyền lực chính ic: Tỷ số truyền của truyền lực cuối cùng

Hiệu suất của hệ thống truyền lực được xác định thông qua động học lăn của bánh xe không biến dạng và hệ số bám mặt đường Hệ thống chuyển động đóng vai trò là cầu nối giữa bánh xe và mặt đường, được xem như một cụm biến đổi bậc không, không tính đến khối lượng và biến dạng Công suất của bánh xe chủ động được thể hiện qua mô-men xoắn M k và tốc độ góc  b Nhờ M k tại bánh xe chủ động và sự tiếp xúc với mặt đường, phản lực F k từ mặt đường tác động lên bánh xe theo chiều chuyển động, tạo ra lực kéo tiếp tuyến cho bánh xe chủ động.

Hệ thống chuyển động chuyển đổi chuyển động quay của bánh xe thành chuyển động tịnh tiến của xe, biến đổi mômen M k và vận tốc góc  b trên trục bánh xe thành lực kéo Fk và vận tốc tịnh tiến V.

Quan hệ giữa các thông số vừa nêu được thể hiện:

V = r b => = a) Động học lăn của bánh xe

Hình 3.2 Trường hợp bánh xe lăn không trượt

Trong trường hợp này, tốc độ của tâm bánh bằng với tốc độ vòng Nghĩa là tốc độ thực tế V bằng tốc độ lý thuyết VO

Tâm quay tức thời của bánh xe nằm trên vòng bánh xe, với bán kính lăn bằng bán kính tính toán, tức là rl = rb Trạng thái này chỉ xuất hiện ở bánh xe bị động khi Mp = 0, lúc đó vận tốc vδ = 0.

Quan hệ với công suất

Để ô tô có thể chuyển động, các bánh xe chủ động cần có moment xoắn và độ bám nhất định tại bề mặt tiếp xúc với mặt đường Công suất của động cơ được xác định bởi công thức P = F K V Độ bám giữa bánh xe và mặt đường được đặc trưng bởi hệ số bám, và tùy thuộc vào chiều của phản lực mặt đường tác động lên bánh xe, hệ số bám sẽ có tên gọi khác nhau Khi xem xét khả năng bám theo chiều dọc, hệ số bám này được gọi là hệ số bám dọc.

x và được định nghĩa như sau: x=

Với: F kmax là Lực kéo tiếp tuyến cực đại giữa bánh xe với mặt đường G b là tải trọng thẳng đứng tác dụng lên bánh xe

Hệ số bám dọc cho phép xác định lực kéo tiếp tuyến cực đại giữa bánh xe chủ động và mặt đường, được tính theo công thức F kmax = φ x G b.

Nếu gọi Zb là dụng lên bánh xe thì: Zb = Gb.

Lực bám dọc Fx được tính bằng công thức Fx =  x Z b Để bánh xe chủ động không bị trượt, lực kéo tiếp tuyến cực đại tại bánh xe phải nhỏ hơn hoặc bằng lực bám dọc giữa bánh xe và mặt đường.

3.1.2 Cơ sở lý thuyết các đặc tính tăng tốc của ô tô

Chúng ta xem xét một ô tô có khối lượng m, diện tích cản gió S, và hệ số cản không khí Cx, di chuyển trên mặt phẳng ngang mà không kéo theo rờ-móc Ô tô chịu lực kéo tại các bánh xe chủ động Fk và có hệ số cản lăn f Mục tiêu của bài toán này là xác định chuyển động của ô tô, bao gồm biến thiên gia tốc, tốc độ và quãng đường theo thời gian.

Hình 3.3 Sơ đồ lực và moment tác dụng lên ô tô khi tăng tốc trên đường nằm ngang không kéo theo rơ-mốc

Xác định biến thiên của gia tốc

Ta có phương trình cân bằng lực kéo

Fk  Ff  F  Fj  Fj  Fk  Ff  F Suy ra j

I t : Là tỷ số truyền của hệ thống truyền lực ở các tay số

Me: Moment xoắn động cơ được xác định từ đường đặc tính ngoài của động cơ Hiệu suất của động cơ

G: Trọng lượng toàn bộ của xe ô tô

F: Hệ số cản lăn của mặt đường

W: nhân tố cản không khí

V: vận tốc ban đầu của xe

Để xác định thời gian tăng tốc và biến thiên tốc độ của ô tô, chúng ta cần phân tích sự thay đổi của tốc độ theo thời gian V(t) Việc này giúp hiểu rõ hơn về hiệu suất và khả năng vận hành của xe trong các điều kiện khác nhau.

Xác định quãng đường tăng tốc của ô tô

Nhằm xác định biến thiên của quãng đường s theo thời gian hay tốc độ theo quãng đường, chúng ta thực hiện

PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN XE

Hình 3.4 : sơ đồ điều khiển cơ bản trên xe

Phương pháp điều khiển xe có thể được thực hiện bằng nhiều cách khác nhau, nhưng cách đơn giản nhất là sử dụng hai driver điều khiển bằng mosfet cho hai động cơ planet bên cạnh Trung tâm điều khiển là Arduino Nano, sử dụng phương pháp điều khiển xung PWM và tín hiệu được truyền qua công tắc hành trình Người điều khiển chỉ cần đứng trên xe và điều chỉnh hai công tắc hành trình để tăng tốc độ xe đến một giá trị nhất định Để điều chỉnh tốc độ động cơ, hai biến trở được gắn bên ngoài và kết nối với hệ thống điều khiển.

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ

4.1.1 Các thông số kĩ thuật của mô hình

- Tổng trọng lượng người sử dụng mô hình: từ 50kg đến 80kg

- Hai motor planet: motor 60W, tổng trọng lượng tối đa 2kg

- Pin LiPo: 24V, trọng lượng 0,8kg

- Bánh xe: 2 bánh đa hướng (bị động), chiều cao 60mm 2 bánh su dẫn động đường kính 50m, chiều dài dài 60mm Trọng lượng 4 bánh 0,8kg

- Sàn xe gắn liền với động cơ (sàn dưới): bằng sắt dày 2mm, nặng 2,5kg

- Dùng 2 cặp bánh răng: số răng bánh lớn: 17, số răng bánh nhỏ: 13, số mắc xích: 38

- Sàn xe để dúng lên, gá lên trên sàn dưới (sàn trên): Bằng inox dày 2mm, nặng 1,4kg

- Điều khiển bằng tay có dây dài 1m

- Ốc vít: tổng trọng lượng tối đa 1,5 kg

- Phần điện tử: sử dụng mạch Arduino điều khiển

- Hộp đựng bộ điều khiển 0,3 kg

- Bộ mạch điều khiển, các cảm biến: trọng lượng tối đa 1,5kg

Hình 4.1 Mô hình xe walkcar

Xe có cấu trúc tương tự như xe walkcar, bao gồm bốn phần chính: khung xe với sàn trên bằng inox và sàn dưới bằng sắt, hai động cơ, bốn bánh xe và hộp điều khiển Sàn dưới làm bằng sắt dày 2mm với kích thước 350 X 320 X 235 (mm), trong khi sàn trên bằng inox dày 2mm có kích thước 360 X 330 X 245 (mm) Bốn bánh xe gồm hai bánh dẫn động bằng cao su đường kính 150mm và hai bánh sau đa hướng bị động cao 60mm Hai động cơ Planet được lắp đặt trên hai gối đỡ Hộp điều khiển được in 3D với kích thước 126 X 78 X 45mm, và cấu trúc cơ khí được mô phỏng chi tiết trên phần mềm SolidWorks để đảm bảo chính xác về mô hình.

Sàn xe bằng inox chịu lực trực tiếp từ người sử dụng, vì vậy cần ước lượng khả năng chịu lực của thanh inox để xác định tính bền vững của mô hình Nếu thanh inox đáp ứng được yêu cầu, không cần tính toán chi tiết đến miếng sắt Để thực hiện điều này một cách nhanh chóng và hiệu quả, phần mềm RDM6 sẽ được sử dụng để tính toán.

4.1.4 Tính toán chọn động cơ và loại pin cần sử dụng a) Chọn loại động cơ

Chọn tải: 80kg  trọng lượng toàn bộ z0N

Vận tốc xe mong muốn đạt được Vmax km/h = m/s

Lực tác dụng xuống bánh xe sẽ phân ra 2 cầu trước chủ động chịu tải

Theo điều kiện bám trên đường để bánh xe không bị trượt quay

Lực kéo tiếp tuyến cực đại ở bánh xe phải nhỏ hơn hoặc bằng lực bám dọc, đảm bảo điều kiện di chuyển an toàn Trên mặt đường khô, như bê tông khô, hệ số bám được chọn là φ=0.8.

Khi động cơ đặt ở cầu trước sẽ chiếm 60% phản lực, đặt ở cầu sau sẽ chiếm 40%

Vậy để động cơ hoạt động với công suất nhỏ nhất sẽ là:

Công suất động cơ lên tới 533,3 (w) yêu cầu thiết kế hộp giảm tốc để giảm công suất phù hợp với thời gian vận hành của xe và nguồn năng lượng hiện có Động cơ Planet sử dụng bộ giảm tốc hành tinh với tỷ số truyền là I,2.

Chọn động cơ là động cơ Planet: 24V - 60W

Chọn bánh xe có đường kính: d = 5cm

38.5 (vòng /phút) Chon n 00 vòng/phút

R0 (N.mm) b) Tính toán thời gian sử dụng pin và công suất tiêu thụ động cơ t=

: hệ số sử dụng, chọn 0.6

Pin sử dụng ta có:

TRIỂN KHAI VỀ PHẦN CỨNG

4.2.1 Động cơ Planet 24 V [6] Động cơ với công suất 60W, tốc độ vòng quay đầu ra 468 vòng/phút, tỉ số truyền 19.2

Hình 4.2 Động cơ planet 60 W Hình 4.3 Bộ bánh răng bên trong

Cấu tạo trong của hộp số

Hình 4.4 Cấu tạo bên trong hộp số Planet

Công tắc hành trình

a) Giới thiệu về công tắc hành trình [7]

Công tắc hành trình, hay còn gọi là công tắc điểm cuối, là một thiết bị đóng mở được lắp đặt ở vị trí cố định trong mạch điện hoặc trên động cơ Khi dòng điện hoặc động cơ đến vị trí của công tắc, nó sẽ kích hoạt các thay đổi như tắt, chuyển hướng, quay hoặc chuyển đổi từ động cơ thành tín hiệu Tóm lại, công tắc hành trình có chức năng giới hạn hành trình của các bộ phận chuyển động khác.

Hình 4.5 Các loại công tắc hành trình

Công tắc hành trình khác với công tắc thông thường ở chỗ nó không giữ trạng thái cố định; khi không có tác động nào, công tắc sẽ tự động trở về trạng thái ban đầu.

Công tắc hành trình trong tủ lạnh là một ví dụ đơn giản để hiểu rõ hơn về chức năng này: khi mở cửa tủ, đèn sẽ sáng lên, và khi đóng cửa lại, đèn sẽ tắt.

Trên thị trường hiện nay, có nhiều loại công tắc hành trình đa dạng phù hợp với từng ứng dụng về kích thước, chức năng và môi trường hoạt động Trong số các nhà sản xuất, hai thương hiệu nổi bật tại Việt Nam là Omron và Hanyoung, cung cấp các giải pháp công tắc hành trình chất lượng cao.

Cách đấu dây và sơ đồ công tắc hành trình

Hình 4.6 Sơ đồ nối dây

Nguyên lý công tắc hành trình:

Dùng để đóng cắt mạch dùng ở lưới điện hạ áp Nó có tác dụng giống như nút ấn động

Công tắc hành trình là thiết bị chuyển đổi chuyển động cơ khí thành tín hiệu điện thông qua việc thay thế các tác ấn bằng tay bằng động tác va chạm của các bộ phận cơ khí Cấu tạo của công tắc này bao gồm các thành phần chính giúp thực hiện quá trình chuyển đổi hiệu quả.

Công tắc hành trình là một loại công tắc điện có đầy đủ các bộ phận như công tắc thông thường, nhưng được trang bị thêm cần tác động Loại công tắc này thường có 3 chân: chân COM, chân NC (thường đóng) và chân CO (thường mở) Công tắc hành trình được phân loại dựa trên các đặc điểm và chức năng riêng biệt của nó.

Hiện nay, việc sử dụng thiết bị dây chuyền tự động ngày càng phổ biến, dẫn đến nhu cầu phát triển đa dạng các loại công tắc hành trình để đáp ứng tốt nhất.

Công tắc hành trình có thể được phân loại dựa trên hình dáng thành nhiều dạng khác nhau, bao gồm công tắc dạng gạt, dạng nhấn, dạng kéo và treo, cũng như các loại thường đóng, thường mở và công tắc quang.

Công tắc hành trình có thể được phân loại theo cách tác động thành ba loại chính: công tắc hành trình cần tăng đưa, công tắc hành trình cần kéo và công tắc hành trình cần lò xo.

Hình 4.7 Công tắc hành trình kiểu nút nhấn

Hình 4.8 Công tắc hành trình kiểu tế vi

Hình 4.9 Công tắc hành trình kiểu đòn c) Ứng dụng của công tắc hành trình

Công tắc hành trình được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành sản xuất như xây dựng, khai thác khoáng sản, khai thác than đá và công nghiệp nặng Thiết bị này giúp kiểm soát tốc độ và hành trình, đảm bảo an toàn trong quá trình vận hành Ngoài ra, công tắc hành trình còn được sử dụng để giới hạn hành trình của cơ cấu, tự động ngắt nguồn cung cấp khi cơ cấu chạm vào vị trí công tắc, từ đó dừng lại tại ngưỡng giới hạn.

26 trình giúp cho cơ cấu không thể vượt qua được vị trí giới hạn

4.2.3 Bộ chuyển đổi điện áp LM2596 [8]

Mạch giảm áp DC nhỏ gọn có khả năng hạ áp từ 30V xuống 1.5V với hiệu suất cao đạt 92% Sản phẩm này rất phù hợp cho các ứng dụng chia nguồn và cấp điện cho các thiết bị như camera, motor, và robot.

Hình 4.10: Mạch giảm áp LM2596

 Điện áp đầu vào: Từ 3V đến 30V

 Điện áp đầu ra: Điều chỉnh được trong khoảng 1.5V đến 30V

 Dòng đáp ứng tối đa là 3A

Hình 4.11 Sơ đồ khối nối dây động

TRIỂN KHAI VỀ PHẦN MỀM

Arduino đã trở thành một hiện tượng toàn cầu, được sử dụng rộng rãi nhờ vào nhiều ứng dụng sáng tạo từ cộng đồng người dùng Sự phát triển mạnh mẽ của Arduino trong thị trường DIY đã thu hút một lượng lớn người dùng đa dạng, từ học sinh đến sinh viên đại học, làm cho cả những người sáng lập cũng phải ngạc nhiên về sự phổ biến của nó.

Arduino là một bo mạch vi xử lý cho phép lập trình tương tác với các thiết bị phần cứng như cảm biến, động cơ và đèn Điểm nổi bật của Arduino là môi trường phát triển ứng dụng dễ sử dụng, cùng với ngôn ngữ lập trình thân thiện, giúp người mới bắt đầu dễ dàng học hỏi và làm quen với điện tử và lập trình.

Những thành viên khởi xướng Arduino:

Hình 4.12 Những người sáng tạo ra arduino

Arduino được ra mắt tại thị trấn Ivrea, Ý, và mang tên vị vua King Arduin từ thế kỷ thứ 9 Chính thức giới thiệu vào năm 2005, Arduino được phát triển như một công cụ hỗ trợ cho sinh viên của giáo sư Massimo Banzi tại trường Interaction Design Institute Ivrea (IDII).

Các ứng dụng nổi bật của bo mạch Arduino

Hình 4.13 Máy in 3D Makerbot điều khiển bằng arduino Mega 2560

Hình 4.14 Robot tránh vật cản di động bằng Arduino nano

Hình 4.15 Thiết bị bay không người lái UAV

4.3.2 Giới thiệu về Arduino Nano [9]

Board Arduino Nano là phiên bản nhỏ gọn của Arduino, sở hữu đầy đủ chức năng và chương trình giống như Arduino Uno nhờ sử dụng vi điều khiển ATmega328P Sự khác biệt lớn nhất là Arduino Nano có thêm 2 chân Analog do sử dụng IC dán thay vì IC chân cắm như Arduino Uno.

Arduino Nano kết nối với máy tính qua cổng Mini-B USB và sử dụng chip CH340 để chuyển đổi USB sang UART, thay vì chip ATmega16U2 như trên Arduino Uno hay Mega Điều này giúp giảm giá thành sản phẩm mà vẫn duy trì tính năng, cho phép Arduino giao tiếp với máy tính để thực hiện lập trình.

Do kích thước nhỏ gọn, Arduino Nano không thể hiển thị rõ ràng các chân Analog và Digital như Arduino Uno Thay vào đó, nó sử dụng cách phân biệt bằng cách thêm chữ "A" trước số thứ tự của chân Analog và chữ "D" trước số thứ tự của chân Digital.

IC nạp và giao tiếp UART CH340 Điện áp hoạt động 5V – DC Điện áp đầu vào khuyên dùng 7-12V – DC Điện áp đầu vào giới hạn 6-20V – DC

Số chân Digital I/O 14 (trong đó có 6 chân PWM)

Số chân Analog 8 (độ phân giải 10bit, nhiều hơn Arduino Uno 2 chân) Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 40Ma

Bộ nhớ flash 32KB với 2KB dùng bởi bootloader

4.3.3 Mạch điều khiển Arduino bằng ATmega32

ATmega328, hay còn gọi là ATmega328P-PU, là vi điều khiển quan trọng nhất trong board mạch Arduino, cung cấp sức mạnh phần cứng cho Arduino Uno Với vi điều khiển ATmega328, bạn có thể dễ dàng tạo ra một board Arduino đơn giản cho các dự án của mình.

Hình 4.17: Board arduino đơn giản với Atmega328

Bootloader Arduino cho phép gửi mã chương trình đến vi điều khiển ATmega328 qua giao thức Serial (cổng COM) mà không cần sử dụng bộ nạp ROM đặc biệt.

Hình 4.18 Sơ đồ chân ATmega8A

Các thông số chính của vi điều khiển Atmega328P-PU như sau:

+ Xung nhịp lớn nhất: 20Mhz

+ Bộ nhớ chương trình (FLASH): 32KB

+ Điện áp hoạt động rộng: 1.8V - 5.5V

+ Số timer: 3 timer gồm 2 timer 8-bit và 1 timer 16-bit

+ Số kênh xung PWM: 6 kênh (1timer 2 kênh)

4.3.4 Điều khiển động cơ DC bằng phương pháp xung PWM [10] a) Khái niệm và nguyên lý

PWM, hay điều chế độ rộng xung, là phương pháp điều chỉnh điện áp đầu ra bằng cách thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông Phương pháp này hoạt động với tần số không đổi nhưng có độ rộng sườn dương hoặc sườn âm khác nhau, dẫn đến sự biến đổi điện áp đầu ra.

Nguyên lý của PWM (Pulse Width Modulation) là phương pháp điều khiển nguồn điện bằng cách đóng ngắt theo chu kỳ, giúp điều chỉnh thời gian hoạt động Quá trình này được thực hiện thông qua các van bán dẫn trong mạch, cho phép kiểm soát độ rộng xung PWM một cách hiệu quả.

Hình 4.20 Nguyên lý điều chỉnh xung

Trên là mạch nguyên lý điều khiển tải bằng PWM và giản đồ xung của chân điều khiển và dạng điện áp đầu ra khi dùng PWM

Nguyên lý hoạt động của hệ thống diễn ra trong hai khoảng thời gian: từ 0 đến t0, van G mở cho phép toàn bộ điện áp nguồn Ud được cung cấp cho tải; trong khoảng thời gian t0 đến T, van G khóa, ngắt nguồn cung cấp cho tải Do đó, khi t0 thay đổi từ 0 đến T, điện áp cung cấp cho tải có thể là toàn bộ, một phần, hoặc hoàn toàn bị khóa.

+ Công thức tính giá trị trung bình của điện áp ra tải:

Gọi t 1 là thời gian xung ở sườn dương (khóa mở) còn T là thời gian của cả sườn âm và dương, U max là điện áp nguồn cung cấp cho tải

=> U d = U max (t 1 /T) (V) hay U d = U max với D = t 1 /T là hệ số điều chỉnh và được tính bằng % tức là PWM

Như vậy ta nhìn trên hình đồ thị dạng điều chế xung thì ta có: Điện áp trung bình trên tải sẽ là:

Để tạo ra PWM (Pulse Width Modulation) nhằm điều khiển, hiện nay có hai phương pháp phổ biến: phần cứng và phần mềm Phương pháp phần cứng sử dụng các IC dao động như LM555, LM556 để tạo xung vuông thông qua phương pháp so sánh Trong khi đó, việc tạo PWM bằng phần mềm thường được thực hiện qua các chip lập trình được, mang lại độ chính xác cao hơn so với phương pháp phần cứng Do đó, phần mềm thường được ưa chuộng hơn trong việc tạo ra PWM.

Tạo bằng phương pháp so sánh Để tạo được bằng phương pháp so sánh thì cần 2 điều kiện sau đây:

+ Tín hiệu răng cưa: Xác định tần số của PWM

+ Tín hiệu tựa là tín hiệu xác định mức công suất điều chế (Tín hiệu DC)

Xét sơ đồ mạch sau:

Tần số được xác định bởi công thức f = 1/(ln.C1.(R1 + 2R2), cho phép điều chỉnh độ rộng xung dễ dàng chỉ bằng cách thay đổi giá trị của R2 Ngoài IC LM555, còn nhiều loại IC khác cũng có khả năng tạo ra xung vuông.

Tạo xung vuông bằng phần mềm là phương pháp tối ưu, mang lại độ chính xác cao về tần số và PWM Phương pháp này giúp đơn giản hóa mạch điện, vì xung được tạo ra dựa trên xung nhịp của CPU.

4.3.5 Mạch Driver điều khiển động cơ bằng Mosfet [5]

Mạch cầu H dùng IC kích Fet IR2110 a) Mạch cầu H

Gồm 4 con MOSFET, có tác dụng đóng cắt để điều khiển chiều động cơ và mạch kích cho 4 con FET này dùng tụ Boottrap Ta dùng 2 tín hiệu PWM vào để điều khiển là PWM A và B PWM AH và AL là invert của nhau A điều khiển M1 và M3 B là M2 và M4, tức là M1 và M3 kích đối nghịch, M2 và M4 kích đối nghịch

Các hình ảnh thực nghiệm

Hình 4.25 Quá trình lắp và gá motor

Hình 4.26 Motor và bánh xe đã được gá lên xe

Hình 4.27 Lắp driver vào trong hộp

Hình 4.30 Công tắc điều khiển

Hình 4.31 Nối dây hoàn thiện

Hình 4.32 Mô hình hoàn thiện

Hình 4.33 Mô hình hoàn thiện