Thiết kế mô hình xe điều khiển từ xa

Trong thời qua, khoa học máy tính và xử lý thông tin có những bước tiến vượt bậc và ngày càng có những đóng góp to lớn vào cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật hiện đại. Đặc biệt sự ra đời và phát triển nhanh chóng của kỹ thuật số làm cho nghành kỹ thuật điện tử trở nên phong phú và đa dạng hơn. Nó góp phần rất lớn trong việc đưa kỹ thuật hiện đại thâm nhập rộng rãi vào mọi lĩnh vực của hoạt động sản xuất, kinh tế và đời sống xã hội. Trong đó, truyền dữ liệu không dây là một mảng lớn trong điện tử thông tin, dữ liệu được truyền đi có thể là tương tự cũng có thể là số. Trong truyền dữ liệu không dây, hiệu quả nhất vẫn là truyền bằng sóng điện từ hay sóng Radio, bởi những ưu điểm là truyền ở khoảng cách xa, đa hướng, tần số hoạt động cao. Truyền dữ liệu số được ứng dụng rất rộng rãi, nhất là trong lĩnh vực điều khiển, thông tin số. Nhiều vi mạch hỗ trợ xử lý tín hiệu không dây được sử dụng như PT2248, PT2249, PT9148, PT9149, PT2262, PT2272, HT640, HT648… Vấn đề đặt ra là các vi mạch này truyền dữ liệu chỉ dành cho mục đích riêng là điều khiển thiết bị, thông tin được truyền đi đã được mã hoá sẵn, số bit dữ liệu truyền đi thấp, không phù hợp với nhu cầu truyền dữ liệu hàng loạt và liên tục. Vì vậy nhóm đã chọn đề tài “Thiết kế chế tạo mô hình xe điều khiển từ xa”.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC THIẾT KẾ MÔ HÌNH XE ĐIỀU KHIỂN TỪ XA

Tp Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2019

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC THIẾT KẾ MÔ HÌNH XE ĐIỀU KHIỂN TỪ XA

Tp Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2019

Bộ Giáo Dục và Đào Tạo

ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp HCM

Khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao

Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

TÊN ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH XE ĐIỀU KHIỂN TỪ XA

I Nội dung :

 Nghiên cứu tổng quan đề tài

 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về: động học quay vòng của xe ô tô, hệ thống điềukhiển từ xa, sóng RF và ứng dụng, arduino và ứng dụng

 Thiết kế các chi tiết của một chiếc xe điều khiển

 Lắp ráp các chi tiết và lập trình cho arduino, mạch điều khiển

 Thử nghiệm và điều chỉnh

 Kết quả, kết luận và kiến nghị

 Viết thuyết minh đề tài

II Trình bày :

Thuyết minh đề tài: 01 cuốn thuyết minh

III Thời gian thực hiện :

LỜI CẢM ƠN

Được sự phân công của Khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao trường Đại học Sưphạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, cùng với sự đồng ý của thầy giáo hướngdẫn, nhóm chúng em đã thực hiện nghiên cứu khoa học với đề tài “Thiết kế chế tạo

mô hình xe điều khiển từ xa”

Nhóm em xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô giáo đã tận tình hướng dẫn,giảng dạy chúng em trong suốt quá trình học tập, thực hành, nghiên cứu và rèn luyện

ở trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh Đặc biệt nhóm em xinchân thành cảm ơn đến Thầy đã tận tình hướng dẫn chúng em trong suốt ba tháng đểhoàn thiện được đề tài này

Trong quá trình làm đề tài, do hạn chế trong kinh nghiệm và trình độ chuyênmôn, thời gian thực hiện có hạn nên sai sót là không thể tránh khỏi nên nhóm rấtmong sẽ nhận được sự đóng góp ý kiến của quý Thầy Cô và các bạn

Sau cùng, nhóm chúng em xin kính chúc quý Thầy Cô dồi dào sức khoẻ, giữvững niềm tin để tiếp tục thực hiện sứ mệnh trồng người và truyền đạt tri thức chocác thế hệ trẻ mai sau

Tp,HCM, ngày 25 tháng 06 năm 2019

Nhóm thực hiện đề tài

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Đề tài “Thiết kế chế tạo mô hình xe điều khiển từ xa” ra đời nhằm thiết kế chế

tạo một chiếc xe đua điều khiển từ xa bằng sóng RF để phục vụ cho quá trình học tập

và tham gia “Cuộc thi đua xe điều khiển Racing contest – Road to HCMUTE lần thứnhất năm 2019”

Trong đề tài này, chúng em đã tìm hiểu được:

- Sóng RF

- Lập trình arduino

- Cấu tạo xe điều khiển từ xa

- Thiết kế các chi tiết của xe điều khiển từ xa

- Lắp ráp và lập trình các mạch thu, phát công suất

- Thử nghiệm trên đường đua

- Dùng xe thiết kế được tham gia cuộc thi

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN iv

TÓM TẮT ĐỀ TÀI v

DANH MỤC CÁC HÌNH viii

DANH MỤC CÁC BẢNG ix

Chương 1 1

TỔNG QUAN 1

1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ đề tài 1

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

1.4 Phương pháp nghiên cứu 2

1.5 Một số nghiên cứu liên quan 2

Chương 2 3

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

2.1 Động học quay vòng của ô tô 3

2.2 Hệ thống điều khiển từ xa 7

2.2.1 Một số vấn đề cơ bản trong hệ thống điều khiển từ xa 7

2.2.2 Phương pháp mã hóa trong điều khiển từ xa 8

2.3 Sóng RF và ứng dụng 9

2.4 Arduino và ứng dụng 10

2.5 Cấu trúc xe điều khiển từ xa 12

2.6 Đường đua 13

2.7 Phân chia công việc 15

Chương 3 16

THIẾT KẾ , LẮP RÁP VÀ LẬP TRÌNH 16

3.1 Thiết kế 16

3.1.1 Arm trước và sau của mô hình xe điều khiển 16

3.1.2 Khung gầm 18

3.1.3 Phần vỏ xe 19

3.2 Lắp ráp 20

3.3.Lập trình 22

Chương 4 26

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 26

TÀI LIỆU THAM KHẢO 27

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 2 1 Sơ đồ động học quay vòng của ô tô khi bỏ qua biến dạng ngang 3

Hình 2 2 Đồ thị lý thuyết và thực tế về mối quan hệ giữa các góc quay vòng của hai bánh xe dẫn hướng 4

Hình 2 3 Sơ đồ động học quay vòng của ô tô có hai bánh dẫn hướng phía trước 5

Hình 2 4 Sơ đồ kết cấu hệ thống điều khiển từ xa 7

Hình 2 5 Mạch điều khiển NRF24L01 8

Hình 2 6 Mạch công suất VNH24L01 9

Hình 2 7 Arduino 10

Hình 2 8 Mạch điều khiển arduino 11

Hình 2 9 Đường đua xe điều khiển từ xa 15

Hình 3 1 Hình ảnh thiết kế dự kiến xe đua điều khiển từ xa bằng sóng RF 16

Hình 3 2 Giao diện chính trước khi thiết kế solidwork 16

Hình 3 3 Arm sau của mô hình được vẽ bằng solidworks 17

Hình 3 4 Hình chiếu của arm sau 17

Hình 3 5 Arm trước của mô hình được vẽ bằng solidworks 17

Hình 3 6 Hình chiếu của arm trước 18

Hình 3 7 Một số hình ảnh gia công gầm 19

Hình 3 8 Xe Rolls Royce 19

Hình 3 9 Một số hình thiết kế vỏ xe 20

Hình 3 10 Một số hình ảnh trong quá trình lắp ráp xe 21

Hình 3 11 Xe sau khi lắp ráp các chi tiết trên khung gầm 21

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2 1 Kích thước của xe đua điều khiển từ xa 13Bảng 2 2 Tỉ lệ tự chế tạo 14Bảng 2 3 Bảng phân chia công việc 16

Chương 1

TỔNG QUAN

1.1 Lý do chọn đề tài

Trong thời qua, khoa học máy tính và xử lý thông tin có những bước tiến vượt bậc

và ngày càng có những đóng góp to lớn vào cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật hiệnđại Đặc biệt sự ra đời và phát triển nhanh chóng của kỹ thuật số làm cho nghành kỹthuật điện tử trở nên phong phú và đa dạng hơn Nó góp phần rất lớn trong việc đưa kỹthuật hiện đại thâm nhập rộng rãi vào mọi lĩnh vực của hoạt động sản xuất, kinh tế vàđời sống xã hội Trong đó, truyền dữ liệu không dây là một mảng lớn trong điện tửthông tin, dữ liệu được truyền đi có thể là tương tự cũng có thể là số Trong truyền dữliệu không dây, hiệu quả nhất vẫn là truyền bằng sóng điện từ hay sóng Radio, bởinhững ưu điểm là truyền ở khoảng cách xa, đa hướng, tần số hoạt động cao Truyền dữliệu số được ứng dụng rất rộng rãi, nhất là trong lĩnh vực điều khiển, thông tin số.Nhiều vi mạch hỗ trợ xử lý tín hiệu không dây được sử dụng như PT2248, PT2249,PT9148, PT9149, PT2262, PT2272, HT640, HT648… Vấn đề đặt ra là các vi mạchnày truyền dữ liệu chỉ dành cho mục đích riêng là điều khiển thiết bị, thông tin đượctruyền đi đã được mã hoá sẵn, số bit dữ liệu truyền đi thấp, không phù hợp với nhu cầutruyền dữ liệu hàng loạt và liên tục Vì vậy nhóm đã chọn đề tài “Thiết kế chế tạo môhình xe điều khiển từ xa”

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ đề tài

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu trong đề tài này là mô hình xe điều khiển từ xa cỡ nhỏ dùngsóng RF

Phạm vi nghiên cứu: thiết kế mô hình xe điều khiển từ xa bằng sóng vô tuyến RFtheo các yêu cầu sau:

1 Xe đủ 4 bánh và có hệ thống dẫn lái ở 2 bánh trước

2 Xe điều khiển không dây và sử dụng điện DC

3 Vật liệu: nhôm, sắt định hình, nhựa, mica, nhựa in 3D…

4 Các bộ phận cho phép mua: visai và hộp, bánh răng truyền động, phuộcnhún, các thanh truyền động, trục láp, bánh xe, các bộ phận được tiêu chuẩnhóa

5 Công suất của động cơ: 280W ( motor 775)

6 Điện áp hoạt động : < 24 V (DC)

7 Pin: Lion 8 viên (6 viên cho mạch công suất, 2 viên cho servo)

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Vận dụng các kiến thức đã được học, đồng thời sưu tầm, tập hợp các tài liệu có liênquan, phân tích, nghiên cứu để xây dựng cơ sở lý thuyết, lấy đó làm nền tảng cho việcthiết kế các chi tiết và lắp ráp mô hình xe điều khiển

Tìm hiểu thông số của các arduino, thiết bị thu phát RF, từ đó lựa chọn các chi tiếtphù hợp với mục đích nghiên cứu

Sử dụng kiến thức về phần mềm Arduino IDE ứng dụng vào việc lập trình arduino

1.5 Một số nghiên cứu liên quan

Đề tài “Thiết kế chế tạo mô hình xe điều khiển từ xa” là đề tài rất phổ biến, sau đây

là một vài nghiên cứu liên quan:

Đề tài “Thiết kế xe mô hình điều khiển từ xa bằng remote IR và bằng điện thoạiandroid” đã giải quyết được các vấn đề sau: đo lường khoảng cách giữa xe đến vật cảnbằng sóng siêu âm; Thiết kế khối điều khiển xe với các chức năng cơ bản: rẽ trái, rẽphải, tiến, lùi, dừng lại; tự động tránh vật cản với khoảng cách cho trước dựa trênkhoảng cách đo được; dò đường dựa vào tiêu chí màu sắc của đường đi, thông quacảm biến hồng ngoại; Thiết kế phần mềm android điều khiển chuyển động của xe

Đề tài “Thiết kế xe điều khiển từ xa qua bluetooth” đã thiết kế thành công mộtphần mềm điều khiển từ xa trên thiết bị cầm tay thông qua bluetooth Từ đó hướng đếnviệc tích hợp thêm nhiều chức năng cho xe như: truyền hình ảnh, đo nhiệt độ, độ ẩm,

khoảng cách vật cản, đo độ nghiêng; Phản hồi được các sự cố về thiết bị cầm tay; Ứngdụng công nghệ Bluetooth vào các hệ thống khác.

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Động học quay vòng của ô tô

Nhằm quay vòng ô tô, chúng ta có thể sử dụng các biện pháp sau :

– Quay vòng các bánh xe dẫn hướng phía trước hoặc quay vòng tất cả các bánh xedẫn hướng

– Truyền những mômen quay có giá trị khác nhau đến các bánh xe dẫn hướng chủđộng bên phải và trái, đồng thời sử dụng thêm phanh để hãm các bánh xe phía trong sovới tâm quay vòng

Trước hết, chúng ta xét động học quay vòng của xe khi bỏ qua biến dạng ngang củacác bánh xe do độ đàn hồi của lốp Nếu không tính đến độ biến dạng ngang của lốp, thìkhi quay vòng véc tơ vận tốc chuyển động của các bánh xe sẽ trùng với mặt phẳngquay (mặt phẳng đối xứng) của bánh xe

Trên hình 10.1 mô tả động học quay vòng của ô tô có hai bánh dẫn hướng ở cầutrước khi bỏ qua biến dạng ngang của lốp Ở trên sơ đồ : A, B là vị trí của hai trụ đứng

E là điểm giữa của AB α1, α2 là góc quay vòng của bánh xe dẫn hướng bên ngồi vàbên trong so với tâm quay vòng O Bởi vậy góc α sẽ là đại diện cho góc quay vòng củacác bánh xe dẫn hướng ở cầu trước Mặt khác AC và BD song song với trục dọc của ôtô

Hình 2 1 Sơ đồ động học quay vòng của ô tô khi bỏ qua biến dạng ngang

Khi xe quay vòng, để các bánh xe không bị trượt lết hoặc trượt quay thì đườngvuông góc với các véctơ vận tốc chuyển động của các bánh xe phải gặp nhau tại mộtđiểm, đó là tâm quay vòng tức thời của xe (điểm O)

Theo sơ đồ trên, ta chứng minh được biểu thức về mối quan hệ giữa các góc quayvòng của hai bánh xe dẫn hướng để đảm bảo cho chúng không bị trượt khi xequayvòng:

Ở đây :

q – Khoảng cách giữa hai đường tâm trụ đứng tại vị trí đặt các cam quay của cácbánh xe dẫn hướng

L – Chiều dài cơ sở của xe

Từ biểu thức (2.1) ta có thể vẽ được đường cong biểu thị mối quan hệ lý thuyếtgiữa các góc α1 và α2: α1 = f(α2) khi xe quay vòng không có trượt ở các bánh xe (hình2.2)

Hình 2 2 Đồ thị lý thuyết và thực tế về mối quan hệ giữa các góc quay vòng của hai

bánh xe dẫn hướng

Như vậy, theo lý thuyết để đảm bảo cho các bánh xe dẫn hướng lăn không trượt khiquay vòng thì mối quan hệ giữa các góc quay vòng α1 và α2 phải luôn luôn thỏa mãnbiểu thức (2.1)

Trong thực tế, để duy trì được mối quan hệ nói trên người ta thường phải sử dụnghình thang lái Hình thang lái là một cơ cấu gồm nhiều đòn và nối với nhau bởi cáckhớp

Hình thang lái đơn giản về mặt kết cấu nhưng không đảm bảo được mối quan hệchính xác giữa các góc quay vòng α1 và α2 như đã nêu ở biểu thức (2.1)

Để tiện so sánh sự sai khác của mối quan hệ lý thuyết và thực tế giữa các góc α1 và

α2, trên hình 2.2 ta dựng thêm đường cong biểu thị mối quan hệ thực tế giữa các góc α1

và α2: α1 = ft(α2) Độ sai lệch giữa các góc quay vòng thực tế và lý thuyết cho phép lớnnhất không được vượt quá 1,5o

Hình 2 3 Sơ đồ động học quay vòng của ô tô có hai bánh dẫn hướng phía trước

Ở phần này chúng ta sẽ đi xác định các thông số động học của ô tô khi quay vòngtheo sơ đồ ở hình 2.3 Ở sơ đồ này, ý nghĩa của các ký hiệu như sau :

R – Bán kính quay vòng của xe

α – Góc quay vòng của các bánh xe dẫn hướng

T – Trọng tâm của xe

v – Vận tốc chuyển động của tâm cầu sau

ρ – Bán kính quay vòng của trọng tâm T

ω – Vận tốc góc của xe khi quay vòng quanh điểm O

ε – Gia tốc góc của xe khi quay vòng quanh điểm O

β – Góc tạo bởi OT và OF (F là tâm cầu sau)

jh – Gia tốc hướng tâm của trọng tâm T

jt – Gia tốc tiếp tuyến của trọng tâm T

jx – Gia tốc hướng theo trục dọc xe của trọng tâm T

jy – Gia tốc hướng theo trục ngang xe của trọng tâm T

Từ hình 2.3 ta tính được bán kính quay vòng R của xe Bán kính quay vòng làkhoảng cách từ tâm quay vòng đến trục dọc của xe:

(2.2)Vận tốc góc của xe khi quay vòng ω được tính:

(2.3)Gia tốc góc của xe khi quay vòng ω được xác định:

(2.4)

Thay các giá trị từ (2.5) và (2.2) vào (2.4) ta có:

(2.6)Hai thành phần gia tốc của trọng tâm T khi xe quay vòng jx và jy được xác địnhnhư sau:

Như ta đã biết :

(2.7)Chiếu jh và jt lên trục dọc và trục ngang của xe, sau đó tổng hợp các vectơ gia tốcthành phần lại, ta có :

jx = jt.cosβ – jh.sinβ = ερ.cosβ – ω2ρ.sinβ (2.8)

jy = jt.sinβ + jh.cosβ = ερ.sinβ + ω2ρ.cosβ (2.9)Mặt khác theo hình 10.3 ta lại có :

Sơ đồ kết cấu hệ thống điều khiển từ xa nói chung bao gồm:

 Thiết bị phát: biến đổi lệnh điều khiển thành tin tức và phát đi

 Đường truyền: đưa tín hiệu điều khiển từ thiết bị phát đến thiết bị thu

 Thiết bị thu: nhận tín hiệu điều khiển từ đường truyền, qua quá trình biếnđồi, biến dịch để tái hiện lại lệnh điều khiển rồi đưa đến các thiết bị thi hành

Hình 2 4 Sơ đồ kết cấu hệ thống điều khiển từ xa

Nhiệm vụ cơ bản của các hệ thống điều khiển từ xa:

 Phát tín hiệu điều khiển

 Sản sinh ra xung hoặc hình thành các xung cần thiết

 Tổ hợp xung thành mã

 Phát tổ hợp mã tới điểm chấp hành

 Ở điểm chấp hành (thiết bị thu) sau khi nhận được mã phải biến đổi các mãnhận được thành các lệnh điều khiển và đưa đến các thiết bị đồng thời kiểmtra sự chính xác của mã mới nhận

2.2.1 Một số vấn đề cơ bản trong hệ thống điều khiển từ xa

Do hệ thống điều khiển từ xa có những đường truyền dẫn xa nên ta phải nghiên cứu

về kết cấu hệ thống để đảm bảo tín hiệu được truyền đi chính xác và nhanh chóng theonhững yêu cầu sau:

và tốc độ truyền nhanh nhất

b Về kế cấu hệ thống

Để đảm bảo các yêu cầu về kết cấu tin tức, hệ thống điều khiển từ xa có các yêucầu sau:

 Tốc độ làm việc nhanh.

 Thiết bị phải an toàn, tin cậy

 Kết cấu phải đơn giản

Hệ thống điều khiển từ xa có hiệu quả cao là hệ thống đạt tốc độ điều khiển cựcđại, đồng thời đảm bảo độ chính xác trong phạm vi cho phép

2.2.2 Phương pháp mã hóa trong điều khiển từ xa

Trong hệ thống truyền thông tin rời rạc hoặc truyền thông tin liên tục nhưng đãđược rời rạc hóa tin tức thường phải được biến đổi thông qua một phép biến đổi thành

số (thường là nhị phân) rồi mã hóa và được phát đi từ thiết bị phát.Ở thiết bị thu, cáctín hiệu phải thông qua các phép biến đổi ngược lại với các phép biến đổi trên: giải mã,liên tục hóa,…

vô tuyến RF thường được xem là dao động điện chứ không phải là dao động cơ khí,

dù các hệ thống RF cơ khí vẫn tồn tại

Điều khiển từ xa bằng tần số vô tuyến (RF) là loại điều khiển từ xa xuất hiện đầutiên và đến nay vẫn giữ một vai trò quan trọng và phổ biến trong đời sống Nếu điềukhiển IR chỉ dùng trong nhà thì điều khiển RF lại dùng cho nhiều vật dụng bên ngoàinhư các thiết bị mở cửa gara xe, hệ thống báo hiệu cho xem các loại đồ chơi điện tử từ

xa thậm chí kiểm soát vệ tinh và các hệ thống máy tính xách tay và điện thoại thôngminh…

Với loại điều khiển RF này, nó cũng sử dụng nguyên lý tương tự như điều khiểnbằng tia hồng ngoại nhưng thay vì gửi đi các tín hiệu ánh sáng, nó lại truyền sóng vôtuyến tương ứng với các lệnh nhị phân Bộ phận thu sóng vô tuyến trên thiết bị đượcđiều khiển nhận tín hiệu và giải mã nó

Ưu điểm: Truyền xa hơn IR với khoảng cách khoảng 30m hoặc có thể lên tới100m Truyền xuyên tường,kính…

Khuyết điểm: Bị nhiễu sóng do bên ngoài có rất nhiều các thiết bị máy móc sửdụng các tần số khác nhau

Khắc phục khuyết điểm: Tránh nhiễu sóng bằng cách truyền ở các tần số đặc biệt

và nhúng mã kỹ thuật số địa chỉ của thiết bị nhận trong các tín hiệu vô tuyến Điều nàygiúp bộ thu vô tuyến trên thiết bị hồi đáp tín hiệu tương ứng một cách chính xác.Ứng dụng: Công nghệ RF trước hết được khai thác để sử dụng trong vô tuyến điện,truyền hình, phát thanh Sau này, sóng RF trong thẩm mỹ mới được khai thác nhiều