Thiết kế chế tạo mô hình đo độ rơ vô lăng tự động đồ án tốt nghiệp ngành công nghệ kỹ thuật ô tô

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU v DANH MỤC CÁC HÌNH vi DANH MỤC CÁC BẢNG viii PHẦN I 1-1 Lý chọn đề tài 1-2 I II Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu 1-2 III Phương pháp nghiên cứu 1-2 IV Phạm vi ứng dụng 1-3 PHẦN II…………………………………………………………………………………1-4 Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1-5 1.1 Giới thiệu chung Adruino 1-5 1.2 Giới thiệu board Arduino Nano 1-5 1.3 Giới thiệu module cầu H VNH2SP30 30A 1-7 1.3.1 Mạch cầu H ? 1-7 1.3.2 Mạch cầu H sử dụng rờ le 1-8 1.4 Giới thiệu cảm biến khoảng cách ToF Laser Radar VL53L0X 1-11 1.5 Giới thiệu LCD 20x4 và module I2C 1-13 1.6 Giới thiệu incremental rotary encoder 1-15 1.7 Giới thiệu động điện một chiều 1-17 1.8 Giới thiệu Arduino IDE ngơn ngữ lập trình cho Arduino 1-19 1.9 Giới thiệu thực hiện đo độ rơ vô lăng đăng kiểm xe giới 1-20 1.10 Nguyên lý việc đo độ rơ vô lăng 1-21 1.11 Các bước đo độ rơ vô lăng thủ công hiện nay: 1-23 1.12 nguyên nhân dẫn đến vô lăng bị rơ………………………… ……………1-26 1.13 Những nguy tai nạn hệ thống lái bị rơ 1-25 iii 1.14 Kiểm tra khắc phục độ rơ vô lăng 1-26 Chương MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG ĐO ĐỘ RƠ VÔ LĂNG TỰ ĐỘNG 2-27 2.1 Khái quát mơ hình hóa 2-27 2.2 Thiết kế cấu khí 2-27 2.2.1 Giới thiệu phần mềm thiết kế 2-27 2.2.2 Thiết kế cấu giá đỡ 2-28 2.2.3 Thiết kế câu vô lăng 2-30 2.2.4 Thiết kế giá đỡ cảm biến 2-35 2.2.5 Cơ cấu khí hoàn chỉnh mơ hình đo độ rơ vô lăng tự động xe giới và phương chiều chuyên động bộ phận 2-36 2.2.6 Tiến hành chế tạo mơ hình thực tế cấu đo độ rơ vô lăng 2-39 2.3 Thử nghiệm, kiểm tra và lắp đặt mạch điện 2-43 2.3.1 Thử nghiệm linh kiện và cảm biến 2-43 2.3.2 Lắp đặt mạch điện 2-47 2.4 Thực nghiệm hệ thống đo độ rơ vô lăng tự động một số loại xe 2-50 2.4.1 Xe Toyota Vios 2-50 2.4.2 Xe Mercedes ML350 (màu xám) 2-56 2.4.3 Xe Mercedes ML350 (màu đen) 2-59 2.5 Độ tin cậy hệ thống 2-66 2.5.1 Khái niệm phương sai và độ lệch chuẩn [3] 2-66 2.5.2 Xác định độ tin cậy trình đo 2-67 Chương KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 3-68 3.1 Kết luận 3-68 3.2 Kiến nghị 3-68 iv DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU I2C Inter-Intergrated Circuit MOSFET Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor DC Direct Current v DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Board Adruino Nano 1-6 Hình 1.2 Mạch cầu H 1-7 Hình 1.3 Nguyên lý mạch cầu H 1-8 Hình 1.4 Cấu tạo rờ le 1-8 Hình 1.5 Mạch cầu H sử dụng rờ le 1-9 Hình 1.6 Sơ đồ mạch điện module cầu H VNH2SP30 1-10 Hình 1.7 Module cầu H VNH2SP30 1-11 Hình 1.8 Cảm biến đo khoảng cách ToF laser radar VL53LOX 1-11 Hình 1.9 Màn hình LCD 20x4 1-13 Hình 1.10 Module I2C 1-14 Hình 1.11 Các IC giao tiếp với qua chuẩn I2C 1-15 Hình 1.12 sau hàn chân cảu LCD với module I2C 1-15 Hình 1.13 Incremental rotary encoder và đĩa quay 1-16 Hình 1.14 Nguyên lý hoạt động incremental rotary encoder 1-16 Hình 1.15 Tín hiệu incremental rotary encoder xuất 1-17 Hình 1.16 Cấu tạo động điện một chiều 1-18 Hình 1.17 Nguyên lý hoạt động động điện một chiều 1-18 Hình 1.18 Giao diện phần mềm lập trình Arduino IDE 1-20 Hình 1.19 Nguyên lý đo độ rơ vô lăng 1-21 Hình 1.20 sự di chuyển một điểm vô lăng 1-22 Hình 1.21 Kiểm tra độ rơ ngang vô lăng 1-23 Hình 1.22 Sơ đồ khối hệ thống 1-24 Hình 2.1 Môi trường giao tiếp SolidWorks 2-28 Hình 2.2 Hình chiếu mặt giá đỡ 2-29 Hình 2.3 Cơ cấu giá đỡ mô phỏng 2-30 Hình 2.4 Bộ phận định vị cấu gá vô lăng 2-31 Hình 2.5 Bộ phận nối trục motor với cấu gá 2-32 Hình 2.6 Ba mặt chiếu cấu gá vô lăng 2-33 Hình 2.7 Cơ cấu gá vô lăng 2-34 vi Hình 2.8 Ba mặt chiếu bộ phận gá cảm biến laser 2-35 Hình 2.9 Bộ phận gá cảm biến laser 2-36 Hình 2.10 Mô hình đo độ rơ vô lăng mô phỏng 2-37 Hình 2.11 Sơ đồ khối đường truyền moment từ động đến vô lăng 2-38 Hình 2.12 cấu gá vô lăng 2-40 Hình 2.13 cấu giá đỡ 2-41 Hình 2.14 Bộ phận gá cảm biến và hộp điều khiển 2-42 Hình 2.15 Giá trị góc trả từ cảm biến 2-43 Hình 2.16 Giá trị cảm biến gia tốc mpu 6050 gá lên tâm bánh xe 2-44 Hình 2.17 Tín hiệu trả từ cảm biến siêu âm 2-44 Hình 2.18 Tín hiệu trả từ cảm biến siêu âm qua bộ lọc Kalman 2-45 Hình 2.19 Tín hiệu trả từ cảm biến laser 2-46 Hình 2.20 Tín hiệu trả từ cảm biến sau qua bộ lọc Kalman 2-46 Hình 2.21 Tín hiệu cảm biến trả bánh xe có sự dịch chuyển 2-47 Hình 2.22 Mạch xử lý 2-48 Hình 2.23 Lưu đồ tḥt tốn tìm biên đợ khoảng cách 2-49 Hình 2.24 Cơ cấu gá vào vô lăng 2-50 Hình 2.25 Cơ cấu giá đỡ gá vào vô lăng 2-51 Hình 2.26 Đặt cảm biến gần bánh xe dẫn hướng 2-52 Hình 2.27 Kết đo độ rơ vô lăng 2-53 Hình 2.28 Toan cảnh hệ thống gá vào xe Mercedes ML350 2-56 Hình 2.29 Cơ cấu gá vào vô lăng xe Mercedes ML350 2-57 Hình 2.30 Hệ thống gá vào Mercedes ML350 (màu đen) 2-60 Hình 2.31 Toàn cảnh hệ thống thực nghiệm xe Mercedes c280 2-63 Hình 2.32 Kết thử nghiệm xe Mercedes c280 2-64 vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Thông số kỹ thuật mạch Arduino Uno R3 1-6 Bảng 2.1 Sơ đồ kết nối chân linh kiện hệ thống 2-48 Bảng 2.2 Kết lần đo độ rơ vô lăng xe Toyota vios 2-54 Bảng 2.3 Kết lần đo xe Mercedes ML350 (màu xám) 2-58 Bảng 2.4 Kết lần đo độ rơ vô lăng xe Mercedes ML350 (màu đen) 2-61 Bảng 2.5 Kết lần đo độ rơ vô lăng xe Mercedes c280 2-65 viii PHẦN I TỔNG QUAN 1-1 I Lý chọn đề tài Tự đợng hóa mợt nhân tố quan trọng q trình cơng nghiệp hóa hiện đại hóa Nhờ có tự đợng hóa cơng nghiệp, nhà máy và trở nên hiệu việc sử dụng lượng, nguyên vật liệu nguồn nhân lực Nghành công nghiệp sản xuất ô tô áp dụng dây truyền sản xuất tự động từ năm 1947, làm tăng sản lượng ô tô một cách nhanh chóng, cho đến ô tô trở thành phương tiện di chuyển chủ yếu người Nhận thấy vấn đề đó, mà trình đăng kiểm tơ Việt Nam cịn thực hiện thủ công phụ thuộc hoàn toàn vào đăng kiểm viên, vấn đề gây tình trạng thiếu minh bạch công tác đăng kiểm hiệu công việc không cao, chúng em quyết định thực hiện đề tài: Thiết kế chế tạo mô hình đo độ rơ vô lăng tự động với mục đích để giảm thiểu yếu tố chủ quan đồng thời giảm thời gian thực hiện hạng mục đăng kiểm này, tạo bước đệm nhỏ tồn bợ q trình tự đợng hóa đăng kiểm, góp phần giảm chi phí nhân lực, tăng sự xác trình đăng kiểm II Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu Kết hợp với kiến thức học hệ thống lái và lập trình Arduino trình học tập tại trường Chúng em áp dụng để thực hiện nghiên cứu đề: • Thiết kế mơ hình đô độ rơ vô lăng tự động trình đăng kiểm • Thực hiện chế tạo khí mơ hình đo đợ rơ vơ lăng tự đợng • Biên soạn tập thút minh mợt cách có hệ thống, khoa học sở lý thuyết, nguyên tắc điều khiển, cấu tạo và hoạt động mô hình hệ thống đo độ rơ vô lăng tự động Phạm vi nghiên cứu: vì lý khơng có điều kiện nên mợt số linh kiên, cảm biến chúng em sử dụng loại thường nên thông số kỹ thuật linh kiện không giống thực tế trình hoạt đợng, việc chế tạo khí khơng xác dẫn đến hệ thống hoạt động chưa ổn định III Phương pháp nghiên cứu Chúng em dùng hai phương pháp để nghiên cứu là: • Nghiên cứu tài liệu để biết sở vấn đề đặt 1-2 • Nghiên cứu thực nghiệm để biết hệ thống có hoạt đợng xác hay không IV Phạm vi ứng dụng Ứng dụng việc tự đợng hóa đo đợ rơ vơ lăng trạm đăng kiểm, đề tài là sở cho bạn khóa sau tự đợng hóa q trình khác đăng kiểm ô tô Việt Nam 1-3 ❖ Nhận xét: • Qua kết thử nghiệm từ số liệu cho thấy: - Đối với xe Mercedes ML350 (màu đen) có đợ rơ vơ lăng tương đối lớn - Từ số liệu từ bảng cho thấy cảm biến từ hệ thống cịn hoạt đợng chưa tốt nên dẫn đến kết đo có giá trị 00 - Với độ lệch chuẩn là 2.87o so với giá trị trung bình từ lần là 17.572o cho thấy hệ thống kết luận xe này có đợ rơ nằm khoảng quy định nhà nước - Từ kết thực nghiệm bảng ta có: o Đợ lệch chuẩn tương đối = Độ lệch chuẩn/Giá trị trung bình = 2.87/17.572= 0.1631=16.31% o Với đợ lệch chuẩn tương đối nhỏ, cịn đề bộ phận cảm biến nên cho thấy hệ thống hoạt động chưa ổn định và cần cải thiện 2-62 2.4.3.1 Xe Mercedes c280 Hình 2.31 Toàn cảnh hệ thống thực nghiệm xe Mercedes c280 2-63 Hình 2.32 Kết thử nghiệm xe Mercedes c280 2-64 Bảng 2.5 Kết lần đo độ rơ vô lăng xe Mercedes c280 Lần đo Kết Lần đo Kết 6.2 26 6.2 6.2 27 6.2 6.2 28 6.2 7.5 29 7.5 7.5 30 7.5 7.5 31 10 10 32 5.2 10 33 5.2 8.6 34 5.2 10 5.2 35 7.5 11 5.2 36 7.5 12 5.2 37 6.2 13 5.2 38 6.2 14 8.6 39 6.2 15 8.6 40 16 6.2 41 6.2 17 6.2 42 6.2 18 6.2 43 6.2 19 6.2 44 7.5 20 6.2 45 7.5 21 7.5 46 7.5 22 7.5 47 5.5 23 6.2 48 5.5 24 7.5 49 5.5 25 7.5 50 6.2 Trung bình 6.79 Phương sai 1.6 Độ lệch chuẩn 1.27 2-65 ❖ Nhận xét: • Qua kết thử nghiệm từ số liệu cho thấy: - Với độ lệch chuẩn là 1.27o so với giá trị trung bình từ lần là 6.79o cho thấy hệ thống kết luận xe này có đợ rơ nằm khoảng quy định nhà nước - Từ kết thực nghiệm bảng ta có: o Đợ lệch chuẩn tương đối = Độ lệch chuẩn/Giá trị trung bình = 1.27/6.79= 0.1865=18.65% o Hệ thống hoạt động ổn định thực nghiệm xe này 2.5 Độ tin cậy hệ thống 2.5.1 Khái niệm phương sai và độ lệch chuẩn [3] Phương sai một bảng số liệu là thông số đặc trưng cho độ phân tán số liệu so với số trung bình chúng Kí hiệu phương sai là Sx2 và tính công thức m S =  (X i − X tb ) m i =1 x (2.1) Trong • Sx2 : Phương sai số liệu tốc đợ thực tế và tốc đợ mơ phỏng • m : Số lượng giá trị thu thập tốc đợ thực tế và tốc đợ mơ phỏng • Xi : Chênh lệch tốc độ thực tế và tốc đợ mơ phỏng thứ i • Xtb : Chênh lệch trung bình tốc độ thực tế và tốc độ mô phỏng Độ lệch chuẩn hay độ lệch tiêu chuẩn (Standard Deviation) là một đại lượng thống kê dùng để đo mức độ phân tán một tập liệu lập thành bảng tần số Nó cho thấy sự chênh lệch giá trị điểm đánh giá so với giá trị trung bình Kí hiệu đợ lệch chuẩn là Sx và ta tính đợ lệch chuẩn cách lấy bậc hai phương sai công thức (2.18) 2-66 S x = S x2 (2.2) Trong • Sx : Đợ lệch chuẩn • Sx2 : Phương sai 2.5.2 Xác định độ tin cậy quá trình đo Dựa vào hai công thức (2.1), (2.1) và bảng số liệu ta tính phương sai và đợ lệch chuẩn trình mô phỏng thông số thực tế • Phương sai Sx2 • Độ lệch chuẩn Sx Trong thực tế để đánh giá đợ xác mợt phép đo, người ta dùng đại lượng độ lệch chuẩn tương đối, tỉ lệ càng nhỏ phép đo càng xác Từ kết thực nghiệm bảng ta có: ❖ Xe Toyota Vios • Đợ lệch chuẩn tương đối: 31.4% ❖ Xe Mercedes ML350 (màu xám) • Độ lệch chuẩn tương đối: 12.1% ❖ Xe Mercedes ML350 (màu đen) • Đợ lệch chuẩn tương đối: 16.31% ❖ Xe Mercedes c280 • Đợ lệch chuẩn tương đối: 18.65% Từ số liệu thực nghiệm một số xe khác cho thấy sai số lần đo cịn tương đối lớn Đối với xe có đợ rơ nhỏ thì hệ thống sai số lớn Còn xe có đợ rơ lớn thì hệ thống hoạt đợng có ởn định Cho thấy sai số từ cảm biến laser cộng với độ dao động và độ rơ một số bộ phận hệ thống mà chúng em chưa thể khắc phục dẫn đến hệ thống làm việc sai số định 2-67 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 3.1 Kết luận Sau một thời gian nghiên cứu, tìm hiểu, tìm hướng thiết kế khả thi, lập kế hoạch và tiến hành thiết kế, chế tạo Với sự nỗ lực thân và sự giúp đỡ tận tình GVHD Lê Quang Vũ, đề tài “ Thiết kế chế tạo mô hình đo độ rơ vô lăng tự động” được mợt số kết sau: • Chế tạo mô hình thực hiện đo độ rơ vô lăng tự động Tuy nhiên sau lần thử nghiệm xe khác thì sai số từ lần đo chênh lệch nhiều nên chúng em chưa xác định độ ổn định hệ thống Vì thế mô hình chúng em chưa thể áp dụng tại trạm đăng kiểm ô tô Nhưng cho thấy việc đo độ rơ vô lăng tự đợng là hoàn toàn khả thi, phát triển kết đo xác để áp dụng hệ thống trạm đăng kiểm • Biên soạn đề tài lý thuyết Vì là một đề tài áp dụng từ thực tế nên đề tài lý thuyết này hệ thống lại cách đo độ rơ vô lăng thủ công thực tế, trình bày ý tưởng thiết kế mô hình, bước thiết kế, trình bày thuật toán để điều khiển phép đo hệ thống đo độ rơ vô lăng tự đợng 3.2 Kiến nghị Do thời gian có hạn, kiến thức hạn chế và nhiều yếu tố khách quan nên nhóm hoàn thành đề tài phần chưa thể phát triển thêm nhiều Mong tương lai mô hình tiếp tục phát triển và hoàn thiện để áp dụng mô hình trạm đăng kiểm Với công nghiệp tơ Việt Nam vần cịn phát triển và đầy tiềm năng, với sự phát triển không ngừng phương tiện giao thông Hẳn cần mợt nguồn nhân lực to lớn có trình đợ kỹ thuật cao Vì vậy, kính mong nhà nước và trường Đại Học cần có sách phù hợp công tác đầu tư phát triển phương tiện và thiết bị dạy học để đáp ứng nhu cầu thiết thực này 3-68 DANH MỤC TÀI LIỆU KHAM KHẢO [1] Phụ lục I, thông tư số 70/2015/TT-BGTVT [2] https://github.com/denyssene/SimpleKalmanFilter [3] http://documents.tips/documents/phuong-phap-binh-phuong-toi-thieu-va-ung-dung -trong-phep-do.html [4] http://tae.vn/arduino-nano-r3 [5] https://cdn.sparkfun.com/datasheets/Dev/Arduino/Shields/10832.pdf [6] https://www.smart-prototyping.com/image/data/2_components/sensors/101768%20GY530/VL53L0X.pdf [7] http://arduino.vn/bai-viet/1053-giao-tiep-i2c-voi-nhieu-module 3-69 PHỤ LỤC Code chương trình byte degree[8] = {0B01110,0B01010,0B01110,0B00000,0B00000,0B00000,0B00000,0B00000}; // khai bao ky tu đo #include #include #include #include #include // thu vien encoder VL53L0X sensor; Encoder myEnc(2, 3); // chan encoder 2,3 SimpleKalmanFilter simpleKalmanFilter(2, 2, 0.01); //#define FLOAT_POINT_SIZE // lay so thap phan #define IN1 // dieu khien motor #define IN2 // dieu khien motor int kcln=0; int kcnn=9999; int i=0; // xac dịnh vitri motor int time1=0; int kc_kalman; volatile int xung = 0; // khai bao vitri encoder int xungL1=0; int xungL2=0; const int phase_A = 2; // chan pha A encoder :2 const int phase_B = 3; // chan pha B encoder: 3-70 LiquidCrystal_I2C lcd(0x3F,20,4); void setup() { Serial.begin(115200); Wire.begin(); // LCD lcd.init(); lcd.backlight(); lcd.setCursor(2,0); lcd.print("DO DO RO VO LANG"); lcd.setCursor(3,1); lcd.print("PLEASE WAIT "); lcd.createChar(1, degree); // SENSOR sensor.init(); sensor.setTimeout(500); sensor.startContinuous(); // motor & encoder pinMode(IN1, OUTPUT); // motor pinMode(IN2, OUTPUT); pinMode(phase_A, INPUT_PULLUP); // chan ngat dem xung pinMode(phase_B, INPUT_PULLUP); attachInterrupt(0,chay,RISING); // ngac ngoai } void loop() { // -// 3-71 Serial.println(simpleKalmanFilter.updateEstimate(sensor.readRangeContinuousMilli meters()*10)); time1=millis(); while ((millis() - time1) = kcnn && i== 0) { //Serial.println("quaytrai"); quaytrai(); } 3-72 //Serial.println("dungyen"); dungyen(); delay(2000); i=1; xung=0; kcln = 0; // // time1=millis(); while ((millis() - time1)