Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình xe tự lái đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH XE TỰ LÁI Giảng viên hướng dẫn: TS Trần Văn Lợi Sinh viên thực hiện: Đặng Gia Hiển Lớp: Cơ khí tơ K56 Đỗ Nguyễn Đình Văn Lớp: Cơ khí tơ K56 Nguyễn Trung Hiếu Lớp: Cơ khí tơ K56 Tóm tắt: Nghiên cứu chế tạo mơ hình tơ tự lái chương trình mơ tốn học Matlab Simulink Giải tốn ngược xác định góc đánh lái từ quỹ đạo có sẵn phương pháp sử dụng mơ tốn học Từ kết góc đánh lái mơ hình tốn học ta đưa vào mơ hình tơ thật, sau đó, so sánh hai kết Nếu kết có độ sai khác nhỏ khơng tức mơ hình tốn học ta phù hợp với mơ hình tơ thật Từ đó, ta tác động lên ô tô thực tế chạy đường để tơ tự lái quỹ đạo có sẵn Nếu liệu quỹ đạo có sẵn cập nhật liên tục khả tự lái tơ dần hồn thiện Từ khóa: Solidwork, Tự Lái, Qũy Đạo ĐẶT VẤN ĐỀ Hệ thống lái tự động hướng nghiên cứu tơ ngày Mức cao chế độ lái tự động cho phép phương tiện thực tất chức lái xe theo dõi tình trạng đường Để nghiên cứu động lực học lái xe, cần nghiên cứu kết hợp nhiều công nghệ khác nhau: quỹ đạo chuyện động xe, mạng Thơng tin tín hiệu giao thông thông minh, khả kết nối thông tin phương tiện tham gia giao thông Đặc biệt, quỹ đạo chuyển động xe xác định GPS, máy quét laser, cảm biến radar, cảm biến vị trí, camera… quỹ đạo thực tế tơ phanh lái Hệ thống lái tự động bao gồm hệ thống quỹ đạo mong muốn hệ thống quỹ đạo thực tế (bao gồm hệ thống truyền động điện, hệ thống điện, hệ thống phanh điện) Hệ thống xác định quỹ đạo mong muốn hệ thống: GPS, máy quét laser, cảm biến vị trí, camera điều khiển máy tính Hệ thống truyền động điện hệ thống thành phần hệ thống lái tự động Hệ thống truyền động điện bao gồm ba thành phần chính: tạo tín hiệu, điều khiển, truyền động CÁC NỘI DUNG CHÍNH 2.1 Tổng quan mơ hình xe tự lái Mơ hình xe tự lái chế tạo dựa xe tự lái thực tế Hình 2.1 Cấu tạo mơ hình xe tự lái Mơ hình xe tự lái gồm ba hệ thống: - Hệ thống lái - Hệ thống truyền động - Hệ thống cảm biến mơi trường Hình 2.2 Mơ hình xe tự lái 2.2 Các ngun lý mơ hình xe tự lái 2.2.1 Nguyên lý : Xác định chướng ngại vật Để xác định chướng ngại vật nhóm dùng cảm biến siêu âm Hình 2.3 Sơ đồ xác định chướng ngại vật Khi xe chạy đường, sóng siêu âm từ cảm biến siêu âm truyền khơng khí, gặp vật cản (vật cần đo khoảng cách tới) phản xạ ngược trở lại đầu thu ghi lại Vận tốc truyền âm khơng khí giá trị xác định trước, thay đổi Do xác định khoảng thời gian từ lúc phát sóng siêu âm tới lúc phản xạ đầu thu quy đổi khoảng cách từ cảm biến tới vật thể 2.2.2 Xác định quỹ đạo tọa độ ban đầu Hình 2.4 Sơ đồ xác định tọa độ ban đầu Xe đặt vị trí Start, di chuyển dựa vào cảm biến siêu âm để xác định khoảng cách xe chướng ngại vật lập trình sẵn, sau xe đánh lái để tránh chướng ngại vật, sau vượt qua chướng ngại vật xe bẻ lái lại di chuyển theo đường ban đầu 2.2.3 Nguyên lý điều khiển lái Hình 2.5 Ngun lý điều khiển lái Thanh có đầu cố định gắn với động servo đầu cịn lại tự do, có ổ bi di chuyển lên xuống Thanh nối với bu lông gắn chỗ ổ bi Khi động quay chiều kim đồng hồ đầu tự di chuyển phía bên trái, bi trượt lên 1, bánh xe đánh sang bên trái Ngược lại động quay ngược chiều kim đồng hồ bánh xe đánh sang bên phải 2.2.4 Nguyên lý truyền lực Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý truyền lực Mô men truyền từ động tới vi sai qua trục đăng truyền tới hai bánh xe làm bánh xe chuyển động 2.3 Thiết kế chế tạo mơ hình Mơ hình tơ tự lái gồm có phần chính: Phần khí phần điện tử - Phần khí bao gồm: Thân, vỏ, bánh xe, vi sai, cấu lái, hệ thống nhíp - Phần điện tử bao gồm: Mạch Adruino, cảm biến, động số linh kiện khác Mơ hình thiết kế phần mềm solidword dựa vào để tạo nên mơ hình thực tế KẾT LUẬN Trong q trình thực đề tài xảy nhiều bất cập khó khăn, với cố gắng, tâm đóng góp, giúp đỡ thầy hướng dẫn, nhóm hồn thành xong đề tài Với đề tài có nhiều mặt hạn chế khuyết điểm nhóm mong đóng góp tận tình q thầy để mơ hình chúng em tối ưu có thể, để sớm ứng dụng thực tế Tài liệu tham khảo [1] BÀI GIẢNG ỨNG DỤNG TIN HỌC TRONG Ô TÔ- MÁY KÉO_ TS Nguyễn Tuấn Anh [2] ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ô TÔ_ ThS Phạm Thanh Bình [3] https://www.tesla.com/autopilot [4] METHODS FOR DETERMINING THE VEHICLE TRAJECTORY BASED ON MOTION MODEL_TS Trần Văn Lợi TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI PHÂN HIỆU TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NĂM 2019 NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH XE TỰ LÁI Sinh viên thực Đặng Gia Hiển Đỗ Nguyễn Đình Văn Lớp: CKOT 56 Lớp: CKOT 56 Khoa: Cơ khí Khoa: Cơ khí Nguyễn Trung Hiếu Lớp: CKOT 56 Khoa: Cơ khí Người hướng dẫn: TS Trần Văn Lợi TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI PHÂN HIỆU TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NĂM 2019 NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH XE TỰ LÁI Sinh viên thực Đặng Gia Hiển Dân tộc: Kinh Đỗ Nguyễn Đình Văn Dân tộc: Kinh Lớp: Cơ khí tơ K56 Khoa: Cơ khí Lớp: Cơ khí tơ K56 Khoa: Cơ khí Nam, nữ: Nam Năm thứ: 4/4 Nam, nữ: Nam Năm thứ: 4/4 Nguyễn Trung Hiếu Dân tộc: Kinh Lớp: Cơ khí tơ K56 Khoa: Cơ khí Nam, nữ: Nam Năm thứ: 4/4 Người hướng dẫn: TS Trần Văn Lợi MỤC LỤC MỤC LỤC Danh mục hình Chƣơng 1: TỔNG QUAN XE TỰ LÁI 1.1 Giới thiệu 1.2 Mơ hình xe tự lái 1.3 Các ngun lý mơ hình xe tự lái 1.3.1 Nguyên lý 1: Xác định chƣớng ngại vật 1.3.2 Nguyên lý 2: Xác định quỹ đạo tọa độ ban đầu 1.3.3 Nguyên lý 3: Nguyên lý điều khiển lái 1.3.4 Nguyên lý 4: truyền lực Chƣơng 2: THIẾT KẾ CHẾ TẠO MƠ HÌNH XE TỰ LÁI 11 2.1 Tổng quan việc thiết kế mơ hình xe tự lái 11 2.2 Giới thiệu phần mềm Solidwork 11 2.2.1 Khái niệm 11 2.2.2 Ứng dụng Solidwork vào mô hình xe tự lái 15 CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH XE TỰ LÁI 18 3.1 Các linh kiện điện tử dung mơ hình xe tự lái 18 3.1.1 Arduino 18 3.1.2 Cảm biến siêu âm SRF04 20 3.1.3 Động servo giảm tốc RC MG995 22 3.1.4 Động DC giảm tốc JGA25-371 có Encoder 23 3.1.5 Module điều khiển động L298N 26 3.2 Chƣơng trình điều khiển 27 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 29 TÀI LIỆU THAM KHẢO 30 Danh mục hình Hình 1.1 Hệ thống mơ tả lƣu lƣợng thông minh Google Hình 1.2 Hệ thống tự lái Hình 1.3 Mơ hình xe tự lái Hình 1.4 Mơ hình xe tự lái Hình 1.5 Sơ đồ xác định chƣớng ngại vật Hình 1.6 Sơ đồ chân cảm biến siêu âm gắn vào Arduino Hình 1.7 Sơ đồ xác định tọa độ ban đầu Hình 1.8 Sơ đồ lái mơ hình Hình 1.9 Các chân servo gắn vào Arduino Hình 1.10 Sơ đồ truyền lực 10 Hình 2.1 Kích thƣớc khối sau thay đổi kích thƣớc 11 Hình 2.2 Họa tiết sau đƣợc kéo dãn 12 Hình 2.3 Lỗi contour 12 Hình 2.4 Các thuật ngữ chung mơ hình 13 Hình 2.5 Các thuật ngữ Solidwork 14 Hình 2.6 Dấu hƣớng 14 Hình 2.7 Thanh cơng cụ 15 Hình 2.8 Gầm 16 Hình 2.9 Một phận hình thang lái 16 Hình 2.10 Bass để gắn hai phận với 17 Hình 2.11 Khung tơ 17 Hình 3.1 Arduino 18 Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý mạch in Arduino 19 Hình 3.3 Cảm biến siêu âm 21 Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý cảm biến siêu âm SRF04 22 Hình 3.5 Động servo giảm tốc RC MG995 23 Hình 3.6 Động DC giảm tốc JGA25-371 24 Hình 3.7 Cấu tạo Encoder 25 Hình 3.8 Module điều khiển động L298 27 16 Hình 2.8 Gầm Hình 2.9 Một phận hình thang lái 17 Hình 2.10 Bass để gắn hai phận với Hình 2.11 Khung ô tô 18 Chương : THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH XE TỰ LÁI 3.1 Các linh kiện điện tử dung mơ hình xe tự lái 3.1.1 Arduino Arduino đƣợc xem tảng “mã nguồn mở” đƣợc dùng để tạo nên loại ứng dụng lĩnh vực điện tử, khả tƣơng tác với thiết bị tƣơng ứng tƣơng tác với môi trƣờng để thuận lợi Arduino đƣợc ví nhƣ máy tính mini để ngƣời sử dụng dùng để lập trình, xây dựng thực loại dự án điện tử cách hữu ích mà không cần đến xuất loại cơng cụ chun biệt dùng riêng cho q trình phục vụ nạp code Hình 3.1 Arduino Arduino gồm có hai phần phần cứng phần mềm - Phần cứng: Vi điều khiển (hay đƣợc gọi với tên khác board mạch mã nguồn mở) - Phần mềm: Các phần mềm dành riêng hỗ trợ cho tích hợp IDE với tác dụng soạn thảo, nạp chƣơng cho board biên dịch code Có nhiều loại Arduno nhƣng nhóm sử dụng Arduino UNO R3 loại phổ biến dễ sử dụng dòng Arduino nhƣ tƣơng thích với nhiều loại Arduino Shield 19 Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý mạch in Arduino Nguồn cho Arduino: Arduino UNO R3 đƣợc cấp nguồn 5VDC thơng qua cổng USB cấp nguồn ngồi thông qua Adaptor với điện áp khuyên dùng 7-9VDC, thƣờng nên cấp nguồn pin 9V hợp lý bạn khơng có sẵn nguồn từ cổng USB Nếu cấp nguồn vƣợt ngƣỡng giới hạn nhƣ làm hỏng Arduino UNO R3 GND (Ground): cực âm nguồn điện cấp cho Arduino UNO Khi bạn dùng thiết bị sử dụng nguồn điện riêng biệt chân phải đƣợc nối với 5V: cấp điện áp 5V đầu Dòng tối đa cho phép chân 500mA 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu Dòng tối đa cho phép chân 150mA Vin (Voltage Input): Để cấp nguồn cho Arduino UNO, bạn nối cực dƣơng nguồn với chân cực âm nguồn với chân GND RESET: Khi nhấn nút Reset board để Reset vi điều khiển tƣơng đƣơng với việc chân Reset đƣợc nối với GND qua điện trở 10KΩ Các chân vào Arduino Uno R3: Arduino UNO R3 có 14 chân digital dùng để đọc xuất tín hiệu Chúng có mức điện áp 0V 5V với dòng vào/ra tối đa chân 40mA Ở 20 chân có điện trở pull-up từ đƣợc cài đặt vi điều khiển ATmega328 (mặc định điện trở khơng đƣợc kết nối) Một số chân digital có chức đặc biệt sau: chân Serial (RX) (TX): dùng để gửi (Transmit – TX) nhận (Receive – RX) liệu TTL Serial Arduino Uno giao tiếp với thiết bị khác thông qua chân Kết nối bluetooth nói kết nối Serial không dây Nếu không cần giao tiếp Serial bạn không nên sử dụng chân không cần thiết Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, 11: Cho phép bạn xuất xung PWM với độ phân giải 8bit (giá trị từ → 28-1 tƣơng ứng với 0V → 5V) hàm analogWrite() Nói cách đơn giản, bạn điều chỉnh đƣợc điện áp chân từ mức 0V đến 5V thay cố định mức 0V 5V nhƣ chân khác Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Ngoài chức thơng thƣờng, chân cịn dùng để truyền phát liệu giao thức SPI với thiết bị khác LED 13: Arduino UNO có đèn led màu cam (kí hiệu chữ L) Khi bấm nút Reset, bạn thấy đèn nhấp nháy để báo hiệu Nó đƣợc nối với chân số 13 Khi chân đƣợc ngƣời dùng sử dụng, LED sáng Arduino UNO có chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit để đọc giá trị điện áp khoảng 0V → 5V Với chân AREF board, bạn để đƣa vào điện áp tham chiếu sử dụng chân analog Tức bạn cấp điện áp 2.5V vào chân bạn dùng chân analog để đo điện áp khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân giải 10bit Đặc biệt, Arduino UNO có chân A4 (SDA) A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với thiết bị khác 3.1.2 Cảm biến siêu âm SRF04 Cảm biến siêu âm HC-SRF04 cảm biến dùng để đo khoảng cách tới vật cản nhờ vào sóng siêu âm đƣợc phát từ cảm biến nhận Khoảng cách đo khoảng 2-300 cm với độ xác gần nhƣ phụ thuộc vào cách lập trình 21 Hình 3.3 Cảm biến siêu âm - Chức chân: VCC: Chân cấp nguồn 5V GND: Chân nối mass(0V) Trig: Chân kích phát sóng siêu âm (ở chế độ 1) Ở chế độ chân Trig vừa chân kích vừa chân báo tín hiệu phản xạ sóng siêu âm Echo: Chân báo có tín hiệu phản xạ sóng siêu âm Out: Khơng dùng (Not Connect) 22 Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý cảm biến siêu âm SRF04 3.1.3 Động servo giảm tốc RC MG995 Động Servo phận hệ thống điều khiển chuyển động máy móc Một phận khơng thể thiếu giúp Động Servo hoạt động Driver servo Tƣơng tự nhƣ driver máy tính Động Servo cung cấp lực chuyển động cần thiết cho thiết bị máy móc vận hành 23 Hình 3.5 Động servo giảm tốc RC MG995 - Cấu tạo + Rotor động nam châm vĩnh cửu có từ trƣờng mạnh Stator động đƣợc cuộn dây riêng biệt, đƣợc cấp nguồn theo trình tự thích hợp để quay rotor + Nếu thời điểm dòng điện cấp tới cuộn dây chuẩn xác chuyển động quay rotor phụ thuộc vào tần số pha, phân cực dòng điện chạy cuộn dây stator + Động Servo đƣợc hình thành hệ thống hồi tiếp vịng kín Tín hiệu động đƣợc nối với mạch điều khiển Khi động vận hành vận tốc vị trí đƣợc hồi tiếp mạch điều khiển Khi bầt kỳ lý ngăn cản chuyển động quay động cơ, cấu hồi tiếp nhận thấy tín hiệu chƣa đạt đƣợc vị trí mong muốn Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động đạt đƣợc điểm xác 3.1.4 Động DC giảm tốc JGA25-371 có Encoder Đƣợc sử dụng ứng dụng cần xác định tốc độ, ví trí, chiều quay động DC 24 Hình 3.6 Động DC giảm tốc JGA25-371 - Encoder Công dụng Đo tốc độ động dùng encoder, tín hiệu từ encoder tạo dạng xung vng có tần số thay đơi phụ thuộc vào tốc độ động Do xung vng đƣợc đƣa vào vi xử lý để đếm số xung khoảng thời gian cho phép từ ta tính đƣợc giá trị vận tốc động Đây phƣơng pháp mà ngƣời ta sử dụng để ổn định tốc độ động hay điều khiển nhanh châm Cấu tạo Đƣợc cấu tạo gồm đĩa tròn xoay, quay quanh trục Trên đĩa đƣợc đục lỗ (rãnh), đĩa quay chiếu đèn led lên mặt đĩa có ngắt qng 25 Hình 3.7 Cấu tạo Encoder Khi đó, phía mặt bên đĩa, ngƣời ta đặt mắt thu (photosensor) để thu nhận tín hiệu từ đĩa quay Nguyên lý hoạt động Encoder Với tín hiệu có ánh sáng chiếu qua, khơng có ánh sáng chiếu qua, ngƣời ta ghi nhận đƣợc đèn led có chiếu qua lỗ hay khơng Số xung đếm đƣợc tăng lên tính số lần ánh sáng bị cắt! Giả sử đĩa có lỗ lần mắt thu nhận đƣợc tín hiệu đèn led có nghĩa đĩa quay đƣợc vòng Các dây Encoder Dây vàng: DC+ Dây cam: DC3 Dây đen: GND encoder Dây đỏ: VCC encoder ( 5VDC ) 26 Dây lam: Kênh A Dây trắng: Kênh B 3.1.5 Module điều khiển động L298N Module L298 điều khiển động DC động bƣớc, có lỗ nằm góc thuận tiện cho ngƣời sử dụng cố định vị trí module Có gắn tản nhiệt chống nóng cho IC, giúp IC điều khiển với dịng đỉnh đạt 2A - Các chân L298N chân INPUT: IN1, IN2, IN3, IN4 đƣợc nối lần lƣợt với chân 5, 7, 10, 12 L298 Đây chân nhận tín hiệu điều khiển chân OUTUT: OUT1, OUT2, OUT3, OUT4 (tƣơng ứng với chân INPUT) đƣợc nối với chân 2, 3,13,14 L298 Các chân đƣợc nối với động Hai chân ENA ENB dùng để điều khiển mạch cầu H L298 Nếu mức logic “1” (nối với nguồn 5V) cho phép mạch cầu H hoạt động, mức logic “0” mạch cầu H khơng hoạt động Với tốn trên, bạn cần lƣu ý đến cách điều khiển chiều quay với L298: Khi ENA = 0: Động không quay với đầu vào Khi ENA = 1: INT1 = 1; INT2 = 0: Động quay thuận INT1 = 0; INT2 = 1: Động quay nghịch INT1 = INT2: Động dùng tức Với ENB tƣơng tự với INT3, INT4 27 Hình 3.8 Module điều khiển động L298 3.2 Chương trình điều khiển #include #define SERVO_PIN Servo gServo; void setup() { // put your setup code here, to run once: gServo.attach(SERVO_PIN); } void loop() { // put your main code here, to run repeatedly: gServo.write(90); delay(1000); gServo.write(100); delay(1000); gServo.write(90); delay(1000); } 28 #define in1 13 #define in2 12 #define ena void setup() { // put your setup code here, to run once: pinMode (in1, OUTPUT); pinMode (in2, OUTPUT); pinMode (ena, OUTPUT); } void ForWard () { digitalWrite (in1, HIGH); digitalWrite (in2, LOW); analogWrite (ena, 127); } void BackWard () { digitalWrite (in1, LOW); digitalWrite (in2, HIGH); analogWrite (ena, 127); } void loop() { ForWard (); 29 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ - Trong trình thực đề tài xảy nhiều bất cập nhƣ khó khăn, nhƣng với cố gắng, tâm đóng góp, giúp đỡ thầy hƣớng dẫn, nhóm hồn thành xong đề tài - Với đề tài có nhiều mặt hạn chế khuyết điểm nhóm mong đƣợc đóng góp tận tình q thầy để mơ hình chúng em đƣợc tối ƣu có thể, để sớm ứng dụng đƣợc thực tế 30 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] BÀI GIẢNG ỨNG DỤNG TIN HỌC TRONG Ô TÔ- MÁY KÉO_ TS Nguyễn Tuấn Anh [2] METHODS FOR DETERMINING THE VEHICLE TRAJECTORY BASED ON MOTION MODEL_TS Trần Văn Lợi [3] ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA Ơ TƠ_ ThS Phạm Thanh Bình [4] https://www.tesla.com/autopilot