Nghiên cứu và phát triển chế tạo xe điện hai bánh phần hệ thống cảnh báo va chạm và tính năng xe tự cân bằng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ CHẾ TẠO XE ĐIỆN HAI BÁNH – PHẦN HỆ THỐNG CẢNH BÁO VA CHẠM VÀ TÍNH NĂNG XE TỰ CÂN BẰNG NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: ThS ĐỖ NHẬT TRƯỜNG Sinh viên thực hiện: MSSV: Lớp: Tạ Gia Hiển 1811252794 18DOTC3 Huỳnh Duy Hưng 1811251686 18DOTC3 Phan Duy Phương 1811252166 18DOTC3 Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2022 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN .ii TÓM TẮT iii ABSTRACT iv MỤC LỤC v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ix DANH SÁCH CÁC HÌNH x DANH SÁCH CÁC BẢNG xiv LỜI NÓI ĐẦU xv Chương GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG CẢNH BÁO VA CHẠM VÀ XE TỰ CÂN BẰNG 1.1 Tính cấp thiết đề tài 1.2 Tình hình nghiên cứu 1.3 Mục đích nhiệm vụ nghiên cứu 1.4 Phương pháp nghiên cứu 1.5 Kết cấu đồ án tốt nghiệp v Chương TỔNG QUAN GIẢI PHÁP VỀ HỆ THỐNG CẢNH BÁO VA CHẠM VÀ HỆ THỐNG CÂN BẰNG SỬ DỤNG CON QUAY HỒI CHUYỂN 2.1 Tổng quan hệ thống cảnh báo va chạm ô tô 2.2 Các dạng tín hiệu hệ thống cảnh báo va chạm 2.2.1 Hệ thống cảnh báo va chạm sử dụng sóng siêu âm 2.2.2 Hệ thống cảnh báo va chạm sử dụng sóng vơ tuyến 2.2.3 Hệ thống cảnh báo va chạm sử dụng tia laser 2.3 Tổng quan quay hồi chuyển 10 2.3.1 Lực quay hồi chuyển 11 2.3.2 Mơ hình hệ thống quay hồi chuyển xe bánh 13 2.4 Các thiết kế sử dụng quay hồi chuyển 15 2.4.1 Phương tiện hai bánh quay hồi chuyển dạng lỏng 15 2.4.2 Phương tiện bánh quay hồi chuyển 16 2.4.3 Phương tiện hai bánh sử dụng quay hồi chuyển 17 2.4.4 Sản phẩm xe điện sử dụng quay hồi chuyển thị trường 18 Chương PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT ĐỀ TÀI HỆ THỐNG CẢNH BÁO VA CHẠM VÀ HỆ THỐNG CÂN BẰNG SỬ DỤNG CON QUAY HỒI CHUYỂN 21 3.1 Tổng quan giải pháp 21 3.1.1 Đánh giá dạng cảm biến sử dụng hệ thống cảnh báo va chạm 21 vi 3.1.2 Ưu điểm cảm biến siêu âm cảm biến va chạm 23 3.2 Giải pháp quay hồi chuyển thiết kế hệ thống tự cân 24 Chương THIẾT KẾ HỆ THỐNG XE ĐIỆN HAI BÁNH SỬ DỤNG CẢM BIẾN SIÊU ÂM VÀ CON QUAY HỒI CHUYỂN 28 4.1 Giải pháp hệ thống 28 4.2 Giải pháp hệ thống cảnh báo va chạm sử dụng sóng siêu âm 28 4.2.1 Cảm biến siêu âm JSN-SR04T 29 4.2.2 Mạch điều khiển Arduino UNO 30 4.3 Giải pháp hệ thống cân sử dụng quay hồi chuyển 32 4.3.1 Các thành phần hệ thống cân sử dụng quay hồi chuyển 33 4.3.3 Thiết kế khí hệ thống cân sử dụng 43 4.4 Sơ đồ giải thuật phần cảnh báo va chạm 47 4.5 Sơ đồ giải thuật cài đặt vị trí bắt đầu quay hồi chuyển 48 Chương THI CÔNG LẮP RÁP HỆ THỐNG CẢNH BẢO VA CHẠM VÀ HỆ THỐNG CÂN BẰNG SỬ DỤNG CON QUAY HỒI CHUYỂN 51 5.1 Lắp ghép phần mạch điện cảnh báo va chạm 51 5.2 Lắp ghép phần khí hệ thống quay hồi chuyển 52 5.3 Lắp ghép phần mạch điện hệ thống quay hồi chuyển 56 5.4 Thực nghiệm mô hình hệ thống cảnh báo va chạm 57 vii 5.5 Thực nghiệm hệ thống quay hồi chuyển 59 Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 61 6.1 Kết luận 61 6.2 Hướng phát triển đề tài 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 PHỤ LỤC PHẦN MỀM 64 PHỤ LỤC BẢN VẼ 74 viii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT KÝ HIỆU EURO NCAP Ý NGHĨA European New Car Assessment Programme Chương Trình Đánh Giá Xe Mới Của Châu Âu NHTSA National Highway Traffic Safety Administration Cục Quản Lý Giao Thông Đường Cao Tốc Quốc Gia Mỹ ESP Electronic Stabiility Program - Hệ thống ổn định thân xe TCS Trátion Control System -Hệ thống kiểm soát lực kéo PAS Parking Assist System - Hệ thống hỗ trợ đỗ xe PCS Pre-Collision System – Hệ thống cảnh báo tiền va chạm ICS Intelligent Clearance Sonar Radar Radio detection and ranging – Dị tìm định vị song vơ tuyến Lidar Light detection and ranging DC Direct Current – dòng điện chiều PID Proportional Integral Derivative ix DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 2.1: Thử nghiệm cảnh báo va chạm Toyota Hình 2.2: Bộ điều khiển trung tâm cảm biến xung quanh xe Hình 2.3: Hệ thống cảm biến va chạm sử dụng sóng siêu âm Hình 2.4: Quá trình cho nhận sóng siêu âm Hình 2.6: Cảm biến va chạm sử dụng tia Lidar Hình 2.7: Con quay hồi chuyển Hình 2.8: Mơ tả hoạt động quay hồi chuyển 12 Hình 2.9: Góc tuế sai mơmen xoắn quay hồi chuyển 13 Hình 2.10: Bộ quay hồi chuyển lắp trọng tâm xe 14 Hình 2.11: Con quay hồi chuyển dạng lỏng 16 Hình 2.12: Xe bánh sử dụng quay hồi chuyển 17 Hình 2.13: Xe hai bánh sử dụng quay hồi chuyển 17 Hình 2.14: Xe tự cân Gyrocar 19 Hình 3.1: Cảm biến va chạm trước sau sử dụng sóng siêu âm 23 Hình 3.2: Xe tự cân sử dụng quay hồi chuyển - trục quay song song với mặt đường 25 x Hình 3.3: Hệ thống xe tự cân sử dụng quay hồi chuyển - trục quay vng góc với mặt đường 26 Hình 3.4: Hệ thống xe tự cân sử dụng quay hồi chuyển - trục quay vng góc với mặt đường 26 Hình 4.1: Sơ đồ giải pháp hệ thống cảnh báo va chạm sử dụng sóng siêu âm 29 Hình 4.2: Cảm biến va chạm sử dụng sóng siêu âm JSN-SR04T 29 Hình 4.3: Cấu tạo Cấu tạo Arduino Uno R3 30 Hình 4.4: Sơ đồ giải pháp hệ thống cân sử dụng quay hồi chuyển 32 Hình 4.5: Động điện chiều 895 33 Hình 4.6: Động bước 17HS1538-1704A 34 Hình 4.7: Màn hình hiển thị LCD 35 Hình 4.8: Module I2C LCD tương thích với LCD 36 Hình 4.9: Mơ-đun điều khiển động bước DRV8825 37 Hình 4.10: Mạch điều khiển tốc độ động DC PWM 40A 38 Hình 4.11 Cảm biến góc MPU6050 39 Hình 4.12 Cách tính góc nghiêng vận tốc góc theo giá trị cảm biến góc MPU6050 40 Hình 4.13: Nhôm hợp kim A6061 42 Hình 4.14: Sơ đồ thiết kế khí hệ thống cân sử dụng quay hồi chuyển 43 xi Hình 4.15: Hình 3D thực tế đĩa quay 44 Hình 4.16: Hình 3D thực tế trục đĩa quay 44 Hình 4.17: Thanh quay ngang (a) quay ngang- motor (b) 45 Hình 4.18: Hình 3D thực tế quay dọc 45 Hình 4.19: Thiết kế 3D phần khung lắp ráp cấu quay hồi chuyển 46 Hình 4.21: Sơ đồ giải thuật hệ thống cảnh báo va chạm 47 Hình 4.22: Sơ đồ mạch điện hệ thống cảnh báo va chạm 48 Hình 4.23: Sơ đồ giải thuật hệ thống xe tự cân 49 Hình 4.24: Sơ đồ mạch điện hệ thống điều khiển hệ thống cân xe 50 Hình 4.25: Bộ điều khiển động bước DRV8825 động bước 50 Hình 5.1: Mạch điện hệ thống cảnh báo va chạm 51 Hình 5.2: Lắp đặt đầu phát – đầu thu cảm biến siêu âm 51 Hình 5.3: Gối đỡ lắp vào khung 52 Hình 5.4: Lắp puly, khung, quay dọc thành khối 53 Hình 5.5: Động DC trục đĩa quay 53 Hình 5.6: Đĩa quay lắp vào trục mô tơ 54 Hình 5.7: Cố định đĩa quay với khung giá đỡ 54 Hình 5.8: Mơ tơ bước truyền động dây đai 55 xii Hình 5.9: Con quay hồi chuyển lắp khung xe điện hai bánh 55 Hình 5.10: Hộp điều khiển hệ thống cảnh báo va chạm quay hồi chuyển 56 Hình 5.11: Xe điện bánh tự cân trang bị hệ thống cảnh báo va chạm 57 Hình 5.12: Khoảng cách hiển thị LCD 58 Hình 5.13: LCD hiển thị khoảng cách vật cách 245cm 373cm 59 Hình 5.14: LCD hiển thị khoảng cách vật cách 1m 59 Hình 5.15: Trường hợp xe cần khoảng 5s 60 Hình 5.16: Trường hợp xe cần khoảng 5s 60 xiii Hình 5.15: Trường hợp xe cần khoảng 5s Trường hợp 2: Độ lệch trọng tâm xe 4; giá trị điều khiển Kp = 40, Ki = 0, Kd = 20 Sau xét giá trị nạp chương trình Nhóm nghiên cứu tiến hành thử nghiệm tình trạng cân xe thực tế  Kết xe cân 12 giây Hình 5.16: Trường hợp xe cần khoảng 5s 60 Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 6.1 Kết luận Sau trình thực đề tài nhóm nghiên cứu hồn thiện mơ hình hệ thống cảnh bảo va chạm hệ thống tự cân xe điện hai bánh bao gồm phần thi cơng lắp ráp khí, mạch điện tử, chương trình điều khiển Nghiên cứu ứng dụng vi điều khiển Arduino, cảm biến siêu âm, cảm biến góc vận tốc góc MPU6050 cụ thể sau: - Nghiên cứu, chế tạo thành công xe điện bánh có trang bị hệ thống cảnh báo va chạm tự cân - Quá trình thử nghiệm hệ thống hoạt động tương đối ổn định: + Xác định cảnh báo khoảng cách 5m + Hệ thống xe tự cân hoạt động ổn định 45 giây điều kiện mặt đường phẳng ngoại lực tác dụng nhỏ + Ứng dụng thành công quay hồi chuyển cảm biến MPU6050 (cảm biến gia tốc vận tốc góc) vào điều khiển cân xe điện bánh - Trong trình thử nghiệm mạch điều khiển hoạt động ổn định Kết chưa đạt - Bộ phận cảm biến siêu âm chưa hoạt động hiệu - Phần khí chưa đạt tính xác thẩm mĩ cao - Nguồn lượng cho hệ thống quay hồi chuyển hạn chế làm cho thời gian hoạt động thấp 6.2 Hướng phát triển đề tài Với thời gian thực đồ án tốt nghiệp với kinh tế cịn có hạn đề tài nghiên cứu chưa hoàn thiện tất cịn nhiều thiếu sót Nhóm nghiên cứu đưa đề xuất phát triển đề tài sau:  Đề xuất phần khí: Tìm vật liệu nhẹ bền cho chi tiết quay hồi chuyển đảm bảo quay hồi chuyển hoạt động ổn định không làm gia tăng tải trọng tĩnh lên xe 61 Kích thước khối lượng phần khí quay hồi chuyển chưa tối ưu cần cắt giảm tính tốn thiết kế cho phù hợp  Đề xuất phần hệ thống điện hệ thống điều khiển Thiết kế mạch điện tối ưu sử dụng vi điều khiển nhỏ gọn hay thiết kế mạch in làm giảm kích thước điều khiển Tinh chỉnh phần công suất quay hồi chuyển hệ thống cảnh báo va chạm để hệ thống hoạt động lâu Nâng cấp giải thuật điều khiển hệ thống; liên kết hai hệ thống giúp phát triển nhiều cơng dụng q trình sử dụng ngồi thực tế 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Duy Hải, Xe máy phương tiện gây tai nạn giao thông chủ yếu Việt Nam, 2017 [2] P.L Zador, S.A Krawchuk, R.B Voas “Automotive Collision Avoidance System (ACAS) Program” National Highway Traffic Safety Administration, August 2000 [3] Ngô Đức Anh “Nghiên Cứu, Tính Tốn Hệ Thống Cân Bằng Sử Dụng Con Quay Hồi Chuyển Trong Phương Tiện Di Chuyển Hai Bánh” Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội [4] Đặng Văn Hiếu “Nghiên Cứu Thiết Kế Và Khảo Sát Hoạt Động Của Cảm Biến Gyroscopes” Trường Đại Học Công Nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà Nội Trang [5] Antonio Lazaro, Marc Lazaro, Ramon Villarino, David Girbau and Pedro de Paco “Car2Car Communication Using a Modulated Backscatter and Automotive FMCW Radar”, Rovira i Virgili University, 2021 [6] Chih-Keng Chen, Trung-Dung Chu and Xiao-Dong Zhang (2019) “Modeling and Control of an Active Stabilizing” National Taipei University of Technology, Taipei 10608, Taiwan; [7] Harun Yetkin, Simon Kalouche, Michael Vernier, Gregory Colvin, Keith Redmill and Umit Ozguner “Gyroscopic Stabilization of an Unmanned Bicycle” Proceedings of the American Control Conference · June 2014 [8] Phạm Ngọc Hải, “Nghiên Cứu Ứng Dụng Cảm Biến Gia Tốc Và Xây Dựng Chương Trình Điều Khiển Cho Mơ Hình Máy Bay Cánh” Khoa Cơ Khí Trường Đại Học Nha Trang, tháng năm 2013 [9] Rachmad Kusumardan, Endra Pitowarno, Adytia Darmawan, Eny Kusumawati, “A Propose of PID Stability Control in A Gyro-Disc Actuator System” Surabaya, Indonesia 2019 [10] Tomohiro Ohsumi “Toyota Motor Corp Test-drives New Prius” [11] Tài liệu Toyota 63 PHỤ LỤC PHẦN MỀM Phần mềm hệ thống cảnh báo va chạm #include "Wire.h" #include LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 20, 4); #define trig_L 11 #define echo_L 10 #define trig_R #define echo_R #define den_1 #define coi_2 13 #define sw_start 12 const double Vx = 0.15; // cm/mS 5km/h unsigned long thoigian1 = 0, thoigian2 = 0; unsigned long thoigian, xungecho_L, xungecho_R ; unsigned long time_R, time_L; int dichuyen = 0; unsigned int khoangcach_L, khoangcach_R, Dis_L, Dis_R; // biến đo thời gian unsigned int Dis_last_L = 0, Dis_last_R = 0; long vungcanhbao = 200; long vungcanhbao2 = 100; void xung_cambiensieuam_L() { digitalWrite(trig_L, 0); delayMicroseconds(5); digitalWrite(trig_L, 1); 64 delayMicroseconds(10); digitalWrite(trig_L, 0); xungecho_L = pulseIn(echo_L, HIGH); khoangcach_L = floor( xungecho_L / / 29.412); if (khoangcach_L > 800) { khoangcach_L = 0; } } void xung_cambiensieuam_R() { digitalWrite(trig_R, 0); delayMicroseconds(5); digitalWrite(trig_R, 1); delayMicroseconds(10); digitalWrite(trig_R, 0); xungecho_R = pulseIn(echo_R, HIGH); khoangcach_R = floor( xungecho_R / / 29.412); //cm if (khoangcach_R > 800) { khoangcach_R = 0; } } void setup() { Wire.begin(); lcd.init(); lcd.backlight(); lcd.clear(); 65 Serial.begin(9600); pinMode(trig_L, OUTPUT); pinMode(echo_L, INPUT); pinMode(trig_R, OUTPUT); pinMode(echo_R, INPUT); pinMode(sw_start, INPUT); pinMode(den_1, OUTPUT); pinMode(coi_2, OUTPUT); } void loop() { int start = digitalRead(sw_start); if ( start == 0) { thoigian = millis(); xung_cambiensieuam_L(); xung_cambiensieuam_R(); Dis_L = khoangcach_L - Dis_last_L; Dis_R = khoangcach_R - Dis_last_R; kiemtra_dong_tinh(); lcd.setCursor(0, 0); lcd.print("CB Trai :"); lcd.setCursor(10, 0); lcd.print(khoangcach_L); lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("CB Phai :"); lcd.setCursor(10, 1); lcd.print(khoangcach_R); 66 if ( (khoangcach_L > && khoangcach_L < (500 + dichuyen)) || (khoangcach_R > && khoangcach_R < (500 + dichuyen) ) ) { digitalWrite(coi_2, HIGH); if ((khoangcach_L < (300 + dichuyen) && khoangcach_L > (100 + dichuyen) ) || (khoangcach_R < (300 + dichuyen) && khoangcach_R > (100 + dichuyen) )) { digitalWrite(den_1, HIGH); } else if ((khoangcach_L > && khoangcach_L < (100 + dichuyen) ) || (khoangcach_R > && khoangcach_R < (100 + dichuyen) )) { for (int i = 0; i = 8000 ) { digitalWrite(coi_2, LOW); digitalWrite(den_1, LOW); thoigian2 = thoigian; } // else { // digitalWrite(den_1, LOW); // digitalWrite(coi_2, LOW); 67 // } Serial.print("Trai : " ); Serial.println(khoangcach_L); Serial.print("Phai : " ); Serial.println(khoangcach_R); lcd.setCursor(13, 1); lcd.print("cm"); lcd.setCursor(13, 0); lcd.print("cm"); delay(10); } void kiemtra_dong_tinh() { if ( time_L > 9999999 || time_R > 9999999 ) { time_L = 0; time_R = 0; } else if (time_L >= 2000 || time_R >= 2000) { dichuyen = 100; lcd.setCursor(15, 1); lcd.println("*"); } else if ( time_L < 2000 || time_R < 2000) { time_L = 0; time_R = 0; dichuyen = 0; 68 } if (thoigian - thoigian1 >= 2000) { lcd.clear(); time_L = Dis_L / Vx; time_R = Dis_R / Vx; Dis_last_L = khoangcach_L; Dis_last_R = khoangcach_R; thoigian1 = thoigian; } }2 Phần mềm hệ thống xe tự cân #include "Wire.h" #include MPU6050 mpu(Wire); #define M_1 13 #define M_2 12 #define step1 10 #define dir1 #define en_B #define step2 #define dir2 #define sw_start float dolechkhongtuyetdoi = 4; float thoigian_laymau, thoigian, thoigian1, time; 69 float error_P_angleX, error_I_angleX, error_D_angleX, error_angleX_last, pid_angleX; float Kp = 40; float Ki = 0; float Kd = 20; float AngleX; byte status; void xungdongcobuoc() { for (int i = 0; i < (abs(pid_angleX)*4); i++) { digitalWrite(step2, LOW); delayMicroseconds(5); digitalWrite(step2, HIGH); delayMicroseconds(5); digitalWrite(step1, LOW); delayMicroseconds(5); digitalWrite(step1, HIGH); delayMicroseconds(5); } } void dieukhiendongcobuoc(int16_t d) { if (d < 0) { 70 digitalWrite(en_B, LOW); digitalWrite(dir1, HIGH); digitalWrite(dir2, HIGH); } else if (d > 0) { xungdongcobuoc(); digitalWrite(en_B, LOW); digitalWrite(dir1, LOW); digitalWrite(dir2, LOW); } } void PID_angleX() { AngleX = mpu.getAngleX(); error_P_angleX = AngleX + dolechkhongtuyetdoi; error_I_angleX += error_P_angleX; error_D_angleX = error_P_angleX - error_angleX_last; pid_angleX = Kp * error_P_angleX + (Ki * error_I_angleX ) + (Kd * error_D_angleX) ; error_angleX_last = error_P_angleX; } void setup() { Wire.begin(); Serial.begin(9600); pinMode(step1, OUTPUT); pinMode(step2, OUTPUT); pinMode(dir1, OUTPUT); pinMode(dir2, OUTPUT); 71 pinMode(en_B, OUTPUT); // Enable pinMode(M_1, OUTPUT); pinMode(M_2, OUTPUT); pinMode(sw_start, INPUT_PULLUP); status = mpu.begin(); mpu.calcOffsets(1, 1); // Đặt lại vị trí cảm biến delay(100); } void loop() { while (Serial.available()) { char chu = Serial.read(); float so = Serial.parseFloat(); if (chu == 'p') { Kp = so; } else if (chu == 'i') { Ki = so; } else if (chu == 'd') { Kd = so; } else if (chu == 'l') { dolechkhongtuyetdoi = so; 72 } } thoigian = time; time = millis(); thoigian_laymau = (time - thoigian) / 1000; //ms mpu.update(); PID_angleX(); dieukhiendongcobuoc(pid_angleX); if (millis() - thoigian1 > 1000) { Serial.print(F("ANGLE X: ")); Serial.print(mpu.getAngleX()); Serial.print("\tY: "); Serial.print(mpu.getAngleY()); Serial.print("\tZ: "); Serial.println(mpu.getAngleZ()); Serial.println(Kp); Serial.println(Ki); Serial.println(Kd); Serial.println(pid_angleX); Serial.println(mpu.getGyroX()); Serial.println(F("================================================ =====\n")); thoigian1 = millis(); } } } 73 PHỤ LỤC BẢN VẼ 74 ... thiết kế chế tạo xe điện bánh - phần hệ thống cảnh báo va chạm tính xe tự cân bằng? ?? nhắm đến an toàn người trình sử dụng xe điện bánh việc đưa cảnh báo trước xảy va chạm đảm bảo cân xe điện bánh. .. ? ?Nghiên cứu thiết kế chế tạo xe điện bánh - phần hệ thống cảnh báo va chạm tính xe tự cân bằng? ?? Nhóm nghiên cứu tìm hiểu, nghiên cứu thiết kế để thử nghiệm xe máy điện với hai tính an tồn cảm biến va. .. Nhóm nghiên cứu tiến hành nghiên cứu đề tài chế tạo, kiểm tra áp dụng mơ hình xe điện bánh có hệ thống cảnh báo va chạm tính xe tự cân vào thực tế đời sống xv Chương GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG CẢNH BÁO