Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm mô hình xe hai bánh tự cân bằng

TÓM TẮT Luận văn này trình bày kết quả mô hình thử nghiệm xe hai bánh tự cân bằng dạng hai bánh dọc In - line wheels, có kết cấu kiểu xe máy, xe đạp hai bánh, dựa trên nguyên lý con quay

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

MAI THỊ THU HÀ

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM

MÔ HÌNH XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ

THÁI NGUYÊN – 2014

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

MAI THỊ THU HÀ

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM

MÔ HÌNH XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận văn này là của bản thân thực hiện, chưa được sử dụng cho bất kỳ một khóa luận tốt nghiệp nào khác Theo hiểu biết cá nhân, chưa có tài liệu khoa học nào tương tự được công bố, trừ những thông tin tham khảo được trích dẫn

Thái nguyên, tháng 3 năm 2014

Học viên

Mai Thị Thu Hà

MỤC LỤC

Trang

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC ii

LỜI CẢM ƠN iv

TÓM TẮT v

CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH vii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ix

Chương 1 GIỚI THIỆU 1

1.1 Vấn đề nghiên cứu 1

1.2 Các kết quả nghiên cứu gần đây 6

1.3 Mục tiêu nghiên cứu 10

1.4 Nội dung và phương pháp nghiên cứu 10

1.4.1 Nội dung nghiên cứu 10

1.4.2 Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 10

1.4.3 Các thiết bị thí nghiệm 10

1.5 Các kết quả đã đạt được 10

1.6 Cấu trúc luận văn 11

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÂN BẰNG DÙNG CON QUAY HỒI CHUYỂN.12 2.1 Giới thiệu 12

2.2 Cơ sở lý thuyết cân bằng dùng con quay hồi chuyển 12

2.2.1 Con quay hồi chuyển 12

2.2.2 Nguyên lý hoạt động 17

2.3 Đặc tính động lực học của con quay hồi chuyển 19

2.4 Mô hình và đặc điểm các cơ cấu 27

2.5 Ứng dụng của con quay hồi chuyển 31

2.6 Kết luận 34

Chương 3 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO 35

3.1 Giới thiệu 35

3.2 Thiết kế và chế tạo 35

3.2.1 Khung xe 36

3.2.2 Động cơ 38

3.2.3 Con quay 39

3.3 Các thiết bị đo 45

3.3.1 Thiết bị đo lực 45

3.3.2 Thiết bị thu thập dữ liệu 46

3.4 Lắp đặt, vận hành thiết bị thí nghiệm 47

3.5 Kết luận 47

Chương 4 THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ TƯƠNG TÁC LỰC VÀ MOMEN 48

4.1 Giới thiệu .48

4.2 Thí nghiệm mô tả mối quan hệ giữa momen gây lật và momen hồi chuyển 48

4.2.1 Mô tả thí nghiệm 48

4.2.2 Kiểm chứng thiết bị thí nghiệm 49

4.2.3 Cách tiến hành thí nghiệm 51

4.2.4 Kết quả thí nghiệm 52

4.3 Thí nghiệm kiểm chứng va đập 53

4.3.1 Mô tả thí nghiệm 53

4.3.2 Cách thức thí nghiệm 56

4.3.3 Kết quả thí nghiệm 57

4.4 Kết luận 61

Chương 5 KẾT LUẬN 62

5.1 Các kết quả chính đã đạt được 62

5.2 Đề xuất các nghiên cứu tiếp theo 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO 63

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến giáo viên hướng dẫn khoa

học của tôi, thầy giáo - PGS.TS Nguyễn Văn Dự, người đã tận tình chỉ bảo, động

viên và giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt thời gian làm luận văn tốt nghiệp

Tôi xin cám ơn Ban giám hiệu, tổ Tin – Công nghệ - Trường PTTH Chuyên Thái Nguyên đã tạo điều kiện để tôi được tham gia và hoàn thành khóa học này

Lòng biết ơn chân thành tôi xin bày tỏ với gia đình tôi, doanh nghiệp tư nhân Dũng Hằng và bạn bè đồng nghiệp, vì tất cả những gì mà mọi người đã dành cho tôi

Cuối cùng, tôi xin cám ơn các thầy cô giáo, các bạn bè trong trường Đại học

Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên đã hỗ trợ và giúp đỡ trong thời gian học tập của tôi

TÓM TẮT

Luận văn này trình bày kết quả mô hình thử nghiệm xe hai bánh tự cân bằng dạng hai bánh dọc (In - line wheels), có kết cấu kiểu xe máy, xe đạp hai bánh, dựa trên nguyên lý con quay hồi chuyển nhằm xây dựng mô hình thực nghiệm, phân tích các quan hệ lực, momen với khả năng tự cân bằng của xe

Khả năng cân bằng của mô hình xe khi không sử dụng các giải thuật điều

khiển và thông qua các thí nghiệm thực, khả năng chịu momen xung gây lật xe cũng

như quan hệ giữa momen gây lật và momen hồi chuyển có tác dụng cản lật đã được xác định bằng thực nghiệm

Một mô hình xe hai bánh dọc dùng con quay trục đứng đã được thiết kế, chế tạo để thực hiện thí nghiệm xác định khả năng chịu momen lật dạng va đập (xung) cũng như momen cản lật của xe

Thực nghiệm cho thấy, với con quay trục đứng có momen quán tính là 0,063 kg.m2, quay với tốc độ 3307 vòng/phút, mô hình có thể chịu được động năng va đập tới 32582.19 J mà xe không đổ Ý tưởng xe hai bánh chịu va chạm đột ngột không bị lật đổ là có thể thực hiện được

Nghiên cứu đã kiểm chứng và lượng hóa được một đặc tính về quan hệ cơ học của con quay hồi chuyển Con quay hồi chuyển là một công cụ hữu ích dùng để chuyển đổi momen chủ động, tác dụng trong mặt phẳng chứa hai bánh xe, thành momen cản lật (tác dụng trong mặt phẳng chứa lực gây lật) Đặc tính này chính là cơ sở để khai thác hiệu ứng con quay hồi chuyển trong các mô hình, sản phẩm xe không đổ gần đây Quan hệ cơ học này là cơ sở phát triển các bài toán điều khiển xe không đổ

CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

HP Mặt phẳng thẳng đứng (Horizontal Plane)

VP Mặt phẳng nằm ngang (Vertical Plane)

BP Mặt phẳng cân bằng (Balance Plane)

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Trang

Hình 1.1 Các mặt phẳng quy ước với từng mô hình 2

Hình 1.2 Mô hình của một xe hai bánh ngang 3

Hình 1.3 Mô hình của một xe hai bánh dọc 4

Hình 1.4 Ảnh chụp nhà khoa học Elmer Sperry 6

Hình 1.5 Mô hình tàu một ray của Brennan [2] 7

Hình 1.6 Tàu một ray của Brenman [2] 7

Hình 1.7 Xe gyrocar [3] 8

Hình1.8 Hình ảnh mẫu xe moto chạy bằng điện, không đổ 9

Hình 1.9 Hai con quay hồi chuyển dùng để giữ cân bằng cho xe C1 9

Hình 2.1 Mô hình một con quay đơn giản 12

Hình 2.2 Mô hình con quay hồi chuyển 13

Hình 2.3 Hình ảnh con quay hồi chuyển 14

Hình 2.4 Hình ảnh một con cù đơn giản 14

Hình 2.5 Con quay trong khớp vạn năng 15

Hình 2.6 Tương tác lực trong con quay 15

Hình 2.7 Tiến động của con quay quanh trục cố định 16

Hình 2.8 Nguyên lý hoạt động của con quay 17

Hình 2.9 Ảnh chụp thực nghiệm kiểm chứng hiện tượng con quay hồi chuyển 18

Hình 2.10 Tiến động của con quay quanh trục cố định 18

Hình 2.11 Sơ đồ minh họa con quay hồi chuyển [20] 19

Hình 2.12 Sơ đồ phân tích lực [20] 22

Hình 2.13 Sơ đồ phân tích lực[20] 22

Hình 2.14 Sơ đồ lực tác động lên con quay[20] 24

Hình 2.15 Mô hình một con quay 27

Hình 2.16 Mô hình hai con quay 29

Hình 2.17 Hình ảnh về con quay hồi chuyển 31

Hình 2.18 Hình ảnh chuột 3D C120 32

Hình 2.19 Hình ảnh của la bàn con quay hồi chuyển 33

Hình 2.20 Hình ảnh của con quay hồi chuyển dùng trên du thuyền 33

Hình 2.21 Ảnh chụp xe đạp trẻ em tự cân bằng GYROWHEEL 33

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý của xe hai bánh tự cân bằng dùng con quay hồi chuyển 36

Hình 3.2 Bản vẽ chi tiết thanh thép V3 37

Hình 3.3 Bản vẽ chi tiết và hình ảnh của thanh thép đặt ngang 37

Hình 3.4 Bản vẽ khung xe 38

Hình 3.5 Động cơ một pha dùng cho thí nghiệm 38

Hình 3.6 Con quay 39

Hình 3.7 Hình ảnh máy tiện vạn năng MAZAK 40

Hình 3.8 Đồng hồ đo tốc độ quay 41

Hình 3.9 Bản vẽ chi tiết giá treo động cơ 42

Hình 3.10 Gối đỡ vòng bi 44

Hình 3.11 Bản vẽ lắp mô hình xe hai bánh dọc tự cân bằng 44

Hình 3.12 Mô hình một xe hai bánh tự cân bằng 45

Hình 3.13 Loadcell (Cảm biến trọng lực) 45

Hình 3.14 Bộ tiếp nhận dữ liệu DAQ NI USB-6008 46

Hình 3.15 Lắp đặt loadcell vào cơ hệ 47

Hình 4.1 Sơ đồ thu thập tín hiệu momen lật từ Load cell 48

Hình 4.2 Hình ảnh của hệ thống thiết bị trong thí nghiệm 48

Hình 4.3 Sơ đồ mạch điện 50

Hình 4.4 Ảnh chụp thiết bị thí nghiệm 50

Hình 4.5 Hồi quy xác định giá trị thang đo của Load cell 51

Hình 4.6 Đồ thị quan hệ giữa momen gây lật và momen hồi chuyển 51

Hình 4.7 Mô hình xe chịu va đập ngang 53

Hình 4.8 Sơ đồ thả vật rơi tự do 53

Hình 4.9 Thiết bị đo góc xoay 56

Hình 4.10 Tác động của khối lượng 1 kg, độ cao 400mm 58

Hình 4.11 Tác động của khối lượng 3 kg, độ cao 400mm 58

Hình 4.12 Tác động của khối lượng 15 kg, độ cao 400mm 59

Hình 4.13 Đồ thị quan hệ giữa khối lượng va đập với tín hiệu điện áp ra 60

Hình 4.14 Đồ thị quan hệ giữa khối lượng va đập với động năng va đập 60

Hình 4.15 Đồ thị quan hệ giữa góc nghiêng của trục động cơ với khối lượng va đập 60

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Một số sản phẩm dùng một con quay hồi chuyển 28

Bảng 2.2 Một số sản phẩm dùng hai con quay hồi chuyển 30

Bảng 3.1 Thông số của máy tiện MAZAK 40

Bảng 4.1 Kiểm chứng thiết bị 51

Bảng 4.2 Quan hệ giữa momen gây lật và momen hồi chuyển 52

Bảng 4.3 Bảng số liệu thí nghiệm 57

Chương 1 GIỚI THIỆU

Chương này giới thiệu các cơ sở lý luận và tính cấp thiết để thực hiện đề tài nghiên cứu, các mục tiêu và tóm tắt các kết quả đã đạt được Phần 1.1 trình bày về vấn đề nghiên cứu cũng như tính cấp thiết của đề tài Các thông tin tổng quan về các kết quả nghiên cứu gần đây trên thế giới về xe tự cân bằng được trình bày trong phần 1.2 Phần 1.3 trình bày các mục tiêu cụ thể của nghiên cứu Các kết quả chính

đã đạt được về cả lý thuyết và thực nghiệm được tóm tắt trong phần 1.4 Phần cuối cùng giới thiệu cấu trúc của luận văn

1.1 Vấn đề nghiên cứu

Trong những năm gần đây, điều khiển cân bằng đã và đang tiếp tục nhận được quan tâm của các nhà nghiên cứu về mặt lý thuyết và ứng dụng triển khai Một trong những thành tựu của các nghiên cứu về điều khiển cân bằng dựa trên nguyên lý con quay hồi chuyển (Gyroscope) đã được ứng dụng để phát triển các sản phẩm được người dùng rất quan tâm, chẳng hạn như xe Gyrocar, xe Lit Motors

Trong thực tế, có hai mô hình xe hai bánh tự cân bằng: mô hình xe hai bánh ngang (Segway) và mô hình xe hai bánh dọc – thuật ngữ tiếng Anh là In-line wheels (dạng xe đạp, xe máy thông thường) Hai loại này có yêu cầu và nguyên tắc tự cân bằng khác nhau Để tiện cho việc trình bày, hai thuật ngữ “xe hai bánh ngang” và “xe hai bánh dọc” được sử dụng thống nhất trong toàn bộ luận văn này Hình 1.1 mô tả sơ

đồ bố trí của hai loại xe này Để thuận tiện cho việc mô tả, so sánh nguyên tắc cân bằng cho hai loại xe, ta qui ước gọi mặt phẳng ngang (HP-Horizontal Plance) là mặt phẳng mặt đất; Mặt phẳng đứng (VP-Vertical Plance) là mặt phẳng vuông góc với mặt ngang, đồng thời chứa vecto vận tốc chuyển động của xe Mặt phẳng chứa momen gây lật xe cũng như momen cản lật cho xe được qui ước gọi là mặt phẳng cân bằng (BP-Balance Plance) Lưu ý rằng, ở cả hai loại xe, mặt phẳng chuyển động luôn song song với mặt phẳng các bánh xe, Hình 1.1 minh họa vị trí tương đối của các mặt phẳng và tương quan của từng loại xe trong không gian tạo bởi các mặt phẳng này

Hình 1.1 Các mặt phẳng quy ước với từng mô hình

a) Xe Segway; b) Xe hai bánh dọc

Đối với xe hai bánh ngang, momen gây lật xe nằm trong mặt phẳng chuyển động (xem thêm hình 1.2b) Nói cách khác mặt phẳng cân bằng của xe trùng với mặt phẳng thẳng đứng Tuy nhiên, với xe hai bánh dọc (xem hình 1.1b), momen gây lật xe lại nằm trong mặt phẳng vuông góc với mặt đứng Nói cách khác, mặt phẳng cân bằng của xe không trùng mặt phẳng đứng Chính vì vậy, nguyên tắc đảm bảo điều kiện tự cân bằng cho hai loại xe này là hoàn toàn khác nhau

Với xe hai bánh ngang, như đã nói ở trên, mặt phẳng chuyển động trùng với

mặt phẳng cân bằng, có nghĩa là momen gây lật nằm trong mặt phẳng chuyển động

và do đó vuông góc với trục bánh xe Điều này được minh họa trên hình 1.2 Có thể

thấy, momen gây lật có chiều xoay quay trục bánh xe (xem Hình 1.2b) Để tái lập

trạng thái cân bằng, cần tạo ra một momen ngược chiều momen gây lật nhằm di chuyển khối tâm G về vị trí cân bằng G0 Điều này có thể dễ dàng thực hiện, nhờ một

động cơ có trục song song với trục bánh xe

Hình 1.2 Mô hình của một xe hai bánh ngang

a) Ảnh chụp xe Segway; b) Mô hình ở trạng thái lật

Hình 1.2a là hình chụp của một chiếc xe Segway Khi xe có xu hướng bị lật,

thân xe sẽ bị nghiêng một góc α so với phương thẳng đứng (xem hình 1.2b)

Với xe hai bánh dọc, như đã biết, mặt phẳng cân bằng có phương vuông góc

với mặt phẳng chuyển động Điều này được minh họa trên hình 1.3 Tuy nhiên, ở xe hai bánh dọc, momen gây lật lại nằm trong mặt phẳng song song với trục các bánh xe Việc tạo ra momen ngược tác dụng với momen gây lật này là không đơn giản Vấn đề này được phân tích tóm tắt dưới đây

Như có thể thấy trên hình 1.3b, lực gây lật có xu hướng tạo thành một momen gây lật xe quanh điểm tiếp xúc O của bánh xe với mặt đất Để tái lập cân bằng cho xe

cần tác động lên xe một lực/momen theo chiều ngược lại với chiều của lực gây lật, sao cho momen cần thiết để tái lập cân bằng bằng momen của lực gây lật lấy đối với

điểm cố định O, chiều của lực này phải có chiều ngược lại với chiều lực gây lật trên

như chiều mũi tên vẽ bằng nét đứt như hình vẽ.

Hình 1.3 Mô hình của một xe hai bánh dọc

a) Ảnh chụp một chiếc xe hai bánh dọc; b) Mô hình xe hai bánh dọc trong mặt phẳng cân bằng

Có thể nhận thấy, việc tạo ra lực/momen từ bên ngoài tác động lên xe trong mặt phẳng lật là rất khó khả thi Thực tế chỉ có thể tạo ra lực/momen trong mặt phẳng thẳng đứng Một phương án khả dĩ là chuyển đổi momen tác động trong mặt phẳng thẳng đứng thành momen trong mặt phẳng cân bằng Một đặc tính cơ học quan trọng của con quay hồi chuyển (Gyroscope) là cho phép chuyển đổi momen đáp ứng yêu cầu này

Trong thực tế, xe máy, xe đạp (Hình 1.3a) có thể giữ cân bằng khi đang chuyển động nhờ kinh nghiệm, kỹ năng của người điều khiển Tuy nhiên, xe có thể bị

đổ, gây thương tích cho người sử dụng trong các trường hợp sau:

1 Xe ở trạng thái không chuyển động;

2 Xe chuyển động rất chậm hoặc người đi xe chưa có kinh nghiệm;

3 Xe chịu va chạm đột ngột

O

Lực gây lật Lực cản lật

Bánh xe Khung xe

Việc đảm bảo cân bằng cho xe hai bánh dọc thích ứng với các tình huống kể trên có thể mang lại lợi ích to lớn sau đây:

1 Chế tạo xe hai bánh dọc được che kín, thuận tiện khi lên, xuống;

2 Tạo thuận lợi, khuyến khích trẻ em tập xe;

3 Đảm bảo an toàn cho người điều khiển và hành khách khi xảy ra va chạm trên đường lưu thông

Ở mô hình xe hai bánh dọc, để xe có thể tự cân bằng, cần tạo ra thêm con quay

để có thể khai thác được momen hồi chuyển Vấn đề đặt ra là cần giải quyết bài toán

xe không chuyển động nhưng vẫn có thể tự cân bằng Bài toán này nếu giải quyết được sẽ mang lại nhiều lợi ích như tăng tính tiện dụng của xe máy, xe đạp (tiện dụng như ô tô); Không đổ khi va chạm trên đường (an toàn như ô tô) Mô hình xe hai bánh dọc tự cân bằng đã được quan tâm từ những năm 1900 [1-5] Tuy nhiên đề án này đã

bị dừng do những nguyên nhân khách quan

Từ những năm 1900, Louis Brennan [1,2] đã có công trình nghiên cứu đầu tiên

về tàu một ray Theo hướng này, Schilovski [3,5] và Ferry [4] đã tiếp tuc nghiên cứu, phát triển và đưa ra một số mẫu thử nghiệm các phương án cân bằng khác nhau ở cách bố trí các trục của con quay hồi chuyển, và tốc độ quay Tháng 9/1967 trên tạp chí "Khoa học Công nghệ", viện bảo tàng Retro [8] đã trích dẫn nhiều bài viết và công trình của Northridge và California về con quay hồi chuyển Ngoài ra, con quay hồi chuyển còn có nhiều ứng dụng quan trọng trong việc ổn định cho phương tiện giao thông đường sắt và giao thông đường thủy [6, 7]

Mô hình toán học của xe cân bằng dùng con quay hồi chuyển đã được nghiên cứu lần đầu tiên trong công trình của Cousins [10], và gần đây hơn Gallaspy [9] sử dụng phép lấy đạo hàm trong phân tích toán học hoặc Karnopp [11] sử dụng các đồ thị quan hệ để lấy đạo hàm

Từ sau khi Count Perter Schilovski chế tạo thành công mô hình xe Gyrocar đầu tiên, do chiến tranh thế giới hầu như tất cả các tài liệu bị thất lạc, sản phẩm thì bị chôn vùi Chính vì vậy những nghiên cứu sâu về việc giữ cân bằng cho xe hai bánh

lại đi theo hướng điều khiển Các kết quả nghiên cứu khai thác ưu điểm ổn định con quay hồi chuyển cho các phương tiện được công bố trong phạm vi rất hẹp, đặc biệt công nghệ này còn rất mới ở Việt Nam Cho đến nay, chưa có công bố khoa học nào

ở trong nước nói về ứng dụng nguyên lý con quay hồi chuyển cho xe hai bánh dọc tự cân bằng

Đề tài “Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm mô hình xe hai bánh tự cân bằng”

được thực hiện nhằm xây dựng mô hình thực nghiệm, phân tích các quan hệ lực, momen ảnh hưởng đến khả năng tự cân bằng của xe Kết quả của đề tài có thể được

sử dụng làm cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo về bài toán điều khiển, chế tạo thử nghiệm xe

1.2 Các kết quả nghiên cứu gần đây

Tại Đức, năm 1810 Nhà khoa học Johann Gottlob Frederick Von Bohnenberger (xem Hình 1.4) [14] là người đầu tiên phát minh ra con quay hồi chuyển

Năm 1852 nhà khoa học người Pháp Leon Foucalt [14] đã sử dụng con quay hồi chuyển để chứng minh Trái Đất có chuyển động quay Trước đó ông đã dùng con lắc để chứng minh như vậy và ông đưa ra giả thuyết rằng con quay hồi chuyển đứng

có thể được sử dụng như la bàn

Elmer Sperry [13-15] (xem Hình 1.4) là một trong những nhà khoa học thành công nhất Ông đã nhận được hơn 360 bằng sáng chế trong cuộc đời của mình và góp phần không nhỏ cho sự phát triển các ngành công nghiệp nhẹ Năm 1896 ông bắt đầu tìm hiểu về con quay hồi chuyển và đến năm 1908 ông đã được cấp bằng sáng chế cho thiết bị tạo ổn định con quay hồi chuyển cho các thiết bị di chuyển như tàu và máy bay

Hình 1.4 Ảnh chụp nhà khoa học Elmer Sperry

Trong triều đại vua Edwardian, tháng 8 năm 1907, tại Lon đon, Louis Brennan [2] đã trưng bày mô hình tàu một ray mới Mô hình đã kích động trí tưởng tượng của những người tham dự về nguyên lý tự cân bằng của nó đồng thời thu hút được sự quan tâm rất lớn Sự ra đời của chiếc tàu một ray độc đáo của Brennen đã được đăng ngay lên tất cả các tờ báo hàng đầu thế giới

Hình 1.5 Mô hình tàu một ray của Brennan [2]

Hình 1.5 là ảnh chụp mô hình tàu một ray của Brennan Khi đi tàu một ray vẫn giữ được thăng bằng giống như một người điều khiển xe Các toa tàu không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi trọng lượng, nó vẫn ổn định ngay cả khi bị đẩy từ bên này sang bên kia Xe chạy theo một đường thẳng hoặc đường cong, các toa tàu chuyển động chính xác trên đường ray và không gặp bất cứ khó khăn gì

Năm 1910, tại triển lãm Nhật – Anh diễn ra tại London tàu một ray của Brennan đã ra mắt công chúng Tuy chiếc tàu này chỉ có hai bánh nhưng khi tàu chưa chuyển động người ta có thể lên, xuống tàu mà ko bị đổ (xem Hình 1.6)

Hình 1.6 Tàu một ray của Brenman [2]

Gyrocar là một loại xe hai bánh, nhưng khác với xe đạp và xe máy là nó có thể giữ cân bằng nhờ con quay hồi chuyển Một mô hình xe Gyrocar đã đươc Count Peter Schilovski chế tạo, thử nghiệm thành công và lấy tên là Schilovski Gyrocar [3,5] Hình 1.7 là ảnh chụp chiếc xe Gyrocar

Hình 1.7 Xe gyrocar [3]

ơ

Chiếc xe Gyrocar được Count đưa ra nhiều đặc điểm với những yêu cầu cao hơn hẳn những chiếc xe bình thường khác Để đáp ứng yêu cầu này, Gyrocar được sản xuất là một cỗ máy khá cồng kềnh, chậm chạp ở thời điểm bấy giờ Nhưng với Count, ông chỉ cần chứng minh được có thể cân bằng một chiếc xe 2 bánh sử dụng nguyên lí hồi chuyển Gyrocar sử dụng động cơ có công suất khoảng 20 mã lực và con quay hồi chuyển có đường kính 40inch, dày 4,5inch, quay với tốc độ khoảng

2000 – 3000 vòng/phút Do chiến tranh thế giới thứ nhất nên Gyrocar đã không được quan tâm phát triển và chiếc xe này đã được chôn vùi dưới lòng đất Gần 20 năm sau, vào năm 1930 Gyrocar đã được khai quật và đặt trong bảo tàng của hãng Tuy nhiên chiếc xe này đã bị phá hủy hoàn toàn vào năm 1948

Đầu năm 2014, tại triển lãm công nghệ CES 2014, hãng xe Lit Motors đã cho biểu diễn một chiếc xe moto chạy điện – Lit Motor C1 có khả năng tự cân bằng (xem Hình 1.8) C1 được gán cho thuật ngữ “phương tiện cá nhân mới” đó là sự kết hợp hoàn hảo giữa tính tiện nghi của ô tô và tính linh hoạt của xe máy, đủ chỗ cho hai người và sử dụng hệ thống ổn định hồi chuyển để đứng thẳng khi không di chuyển Điểm nổi bật của C1 chính là khả năng tự cân bằng Nhà sản xuất quảng cáo rằng dù

có bị một phương tiện khác đâm vào nhưng C1 vẫn có thể đứng vững bởi xe được trang bị hệ thống tự cân bằng

Xe có kích thước nhỏ gọn như xe máy, lại được trang bị vỏ bọc kim loại chắc chắn và được thiết kế với mui như xe ô tô, cũng được điều khiển bằng vô-lăng, ga và phanh thông qua bàn đạp chân

Xe luôn tự cân bằng ngay cả khi đứng yên hay chịu xung va đập nhờ có hai con quay hồi chuyển (xem Hình 1.9) đặt bên dưới ghế ngồi tạo ra momen xoắn tối đa

là 1763Nm

Các kết quả trên cho thấy việc xuất hiện của xe hai bánh tự cân bằng giúp cho người sử dụng thuận tiện và dễ dàng hơn trong việc di chuyển, có thể giảm tắc nghẽn giao thông Điểm đặc biệt nhất ở xe hai bánh tự cân bằng là khả năng tự cân bằng dựa trên nguyên lý con quay hồi chuyển, vì vậy dù địa hình có gập ghềnh ra sao, xe cũng luôn luôn an toàn, kể cả khi bị xô ngang (va chạm) với các vật thể/phương tiện khác

Hình1.8 Hình ảnh mẫu xe moto chạy bằng

điện, không đổ

Hình 1.9 Hai con quay hồi chuyển dùng để

giữ cân bằng cho xe C1

Do vậy đây là một phương tiện vận chuyển mới tại các thành phố trong tương lai với nhiều ưu điểm: gọn, nhẹ, ít chiếm diện tích đường phố, dễ điều khiển và an toàn

1.3 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của đề tài này là chủ động công nghệ nhằm thiết kế, chế tạo và thử nghiệm mô hình có ứng dụng con quay hồi chuyển nhằm tự giữ cân bằng cho xe hai bánh

Các mục tiêu cụ thể của đề tài là:

1 Chế tạo mô hình thử nghiệm khả năng cân bằng dùng con quay hồi chuyển;

2 Đánh giá khả năng cân bằng khi không sử dụng các giải thuật điều khiển;

3 Tiến hành thí nghiệm để xác định khả năng chịu được xung va đập và quan

hệ giữa momen gây lật và momen cản lật

1.4 Nội dung và phương pháp nghiên cứu

1.4.1 Nội dung nghiên cứu

1 Khảo sát, phân tích các nguyên tắc cân bằng nhờ con quay hồi chuyển

2 Thiết kế, chế tạo mô hình

3 Thực nghiệm: + Thay đổi momen

+ Đo được các giá trị lực, momen

1.4.2 Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

1.4.3 Các thiết bị thí nghiệm

1 Để thiết kế chế tạo mô hình cấn sử dụng các máy tiện, máy phay, máy khoan, máy hàn

2 Để khảo sát và phân tích giá trị lực và momen dùng các thiết bị đo:

 Đo lực tác dụng: Load cell

 Đo tốc độ động cơ: Máy đo tốc độ vòng quay

 Bộ chuyển đổi dữ liệu DAQ USB 6008

 Phần mềm xử lý dữ liệu NI-Labview Signal Express 3.0

1.5 Các kết quả đã đạt được

1 Xác định được động năng va đập lớn nhất mà xe không đổ Ý tưởng xe hai bánh chịu va đập đột ngột không bị lật đổ là có thể thực hiện được

2 Vẽ được biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa momen gây lật và momen hồi chuyển có tác dụng cản lật để làm cơ sở cho việc điều khiển

1.6 Cấu trúc luận văn

Luận văn được chia thành 5 chương với các nội dung chính như sau

Chương 1 trình bày các cơ sở, tính cần thiết thực hiện đề tài Các nghiên cứu

tương tự gần đây cũng được giới thiệu tóm tắt nhằm nêu bật các kết quả đóng góp mới

Trong chương 2, các cơ sở lý thuyết về con quay hồi chuyển, các mô hình của

xe hai bánh dọc đã được chế tạo trong thực tế và trong các nghiên cứu thí nghiệm trước đây cũng được trình bày cụ thể

Thiết kế, chế tạo mô hình thử nghiệm được trình bày chi tiết trong chương 3

Ở đó, sơ đồ nguyên lý, mô hình lý thuyết, cấu tạo và thiết kế xe hai bánh dọc được trình bày một cách cụ thể Hệ thống các thiết bị thí nghiệm sử dụng để khảo sát đặc tính động lực học của cơ hệ cũng được mô tả

Trong chương 4 trình bày các kết quả thực nghiệm, đánh giá khả năng tự cân

bằng của xe

Các kết luận và đề xuất nghiên cứu tiếp theo được trình bày trong chương 5

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÂN BẰNG DÙNG

CON QUAY HỒI CHUYỂN

2.2 Cơ sở lý thuyết cân bằng dùng con quay hồi chuyển

2.2.1 Con quay hồi chuyển

Con quay nói chung có hình dạng đối xứng, quay quanh một điểm cố định và

nó có thể chuyển động tự do trong không gian

Hình 2.1 Mô hình một con quay đơn giản

Trên Hình 2.1, đỉnh con quay quay quanh trục OA với tốc độ quay n, trong đó điểm O cố định Con quay chịu tác dụng của trọng lực P Do đó trục OA có thể thay đổi hướng chuyển động trong không gian

Theo định nghĩa vật lý: Con quay hồi chuyển là một thiết bị dùng để đo đạc hoặc duy trì phương hướng, dựa trên các nguyên tắc bảo toàn mô men động lượng Thực chất, con quay cơ học là một bánh xe hay đĩa quay với trục quay tự do theo mọi hướng

Hình 2.2 Mô hình con quay hồi chuyển

Trên Hình 2.2, con quay được gắn vào trục quay, trục được cố định ở giữa bằng một khớp vạn năng Con quay có thể quay đồng thời quanh trục XX, trục YY và quanh trục ZZ Do đó trục con quay có thể tự do trong không gian

Khi quay, con quay hồi chuyển có tính chất đặc biệt, con quay giữ cho trục quay của nó thẳng đứng và chống lật Nếu tác dụng mô-men xoắn, hoặc một lực vào trục quay, trục sẽ không chuyển động theo hướng mô-men xoắn mà sẽ di chuyển theo hướng vuông góc với nó

Một ví dụ đơn giản như việc ta dùng một tay giữ con quay hồi chuyển, một tay khác quấn dây quanh trục con quay hồi chuyển, sau đó giữ con quay ở khung ngoài

và ta kéo dây Kết quả là con quay hồi chuyển có thể giữ được cân bằng ngay trên đầu ngón tay, trên đầu bút chì hay trên một sợi dây (xem Hình 2.3)

Con quay

Trục quay Khớp vạn năng

Khung con quay

Hình 2.3 Hình ảnh con quay hồi chuyển

Đánh cù - trò chơi dân gian phổ biến ở Việt Nam, sử dụng một con quay đơn giản (xem Hình 2.4) Đầu đinh của con cù tỳ lên mặt đất, dưới tác dụng của trọng lực, đầu trục con cù dịch chuyển theo phương nằm ngang, trục của con cù sẽ tạo nên một mặt nón tròn xoay quanh đỉnh tỳ lên mặt đất

Hình 2.4 Hình ảnh một con cù đơn giản

Trong kỹ thuật, lắp con quay lên một khung quay, khung này cho phép trục

AB quay ở mọi vị trí trong không gian Mỗi con quay như thế có 3 bậc tự do, nó có thể quay 3 vòng độc lập quanh trục AB, DE, GK và giao nhau tại tâm O, gắn với mặt đất Nếu tâm của con quay trùng với tâm O thì con quay cân bằng (xem Hình 2.5)

Hình 2.5 Con quay trong khớp vạn năng

Trên Hình 2.5, đĩa quay C có thể quay đồng thời quanh trục AB, trục DE

và quanh trục GK Do đó trục đĩa quay có thể di chuyển bất kì vị trí nào trong không gian

Dưới tác động của lực F (Hình 2.6), điểm A trên trục AB của con quay sẽ bị nghiêng theo hướng tác dụng lực

Hình 2.6 Tương tác lực trong con quay

Hình 2.6, giả thiết điểm O của trục con quay AB là một điểm cố định Con quay quay ngược chiều kim đồng hồ với vận tốc 1 quanh trục AB Tác động lực F hướng xuống tại điểm A làm cho trục AB xoay đi một góc theo hướng lực tác dụng

Vì con quay quay với vận tốc  nên dễ thấy đầu A chuyển động trong mặt phẳng ngang theo phương vuông góc với F Do vậy con quay cùng với khung của nó bắt đầu quay quanh trục DE với vận tốc góc  Sự dịch chuyển này gọi là tiến động

 

F

 

Tiến động hay tuế sai, là hiện tượng trong đó trục của vật thể quay (ví dụ một phần của con quay hồi chuyển) "lắc lư" khi mô men lực tác động lên nó Hiện tượng này được quan sát phổ biến trong các con quay, tuy nhiên mọi vật thể quay cũng chịu tiến động

Hình 2.7 Tiến động của con quay quanh trục cố định

Trên Hình 2.7, khi con quay quay chậm, dưới tác dụng của trọng lực, trục của

nó nghiêng và quay theo vòng tròn ngược hướng với hướng quay của vật thể Nếu như vận tốc góc và momen lực tác động lên vật thể quay là các hằng số thì trục sẽ tạo

ra một hình nón Trên chuyển động này, vận tốc góc luôn vuông góc với momen lực

Trong trường hợp con quay quay trên mặt đất, nếu trục không vuông góc tuyệt đối với mặt đất thì mô men xoắn gây ra bởi trọng lực có xu hướng làm đổ nó, nhưng con quay không bị đổ nhờ vào chuyển động tiến động

Hiện tượng tiến động cũng giữ cho xe đạp hay xe máy không đổ khi chuyển động Trong quá trình di chuyển, bánh trước và bánh sau của xe máy (xe đạp) là vật thể chuyển động với tốc độ cao, nó tạo ra một lực duy trì chuyển động theo trục quay của bánh xe theo phương nằm ngang nên xe không đổ Khi xe dừng lại, bánh xe không chuyển động, lúc này lực duy trì chuyển động theo trục bánh xe mất đi, nên xe

Hướng tiến động

Trọng lực

Hướng quay

dễ bị đổ Chuyển động này cũng là cơ chế hoạt động cơ bản của la bàn hồi chuyển để giữ cho các con quay luôn chỉ theo một phương nhất định

Trong kỹ thuật, con quay hồi chuyển thường là một bánh đà dạng đĩa dẹt có khối lượng tập trung ngoài vành đĩa Để truyền chuyển động cho con quay, lực quay được tạo bởi trục roto của động cơ điện xoay chiều hoặc động cơ điện một chiều có tốc độ cao

2.2.2 Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động của con quay hồi chuyển dựa trên nguyên tắc bảo toàn momen động lượng Xét một con quay có khối lượng m, quay với vận tốc góc 

quanh một trục cố định

Hình 2.8 Nguyên lý hoạt động của con quay

Trên Hình 2.8, một con quay được gắn vào một trục quay, một đầu của trục được đặt trên đỉnh O của một cái giá đỡ sao cho trục này có thể quay tự do xung quanh giá đỡ

Chọn một hệ toạ độ gốc ở O, trục Oz thẳng đứng, còn mặt phẳng xOy nằm ngang, trục của con quay cũng nằm ngang, dọc theo trục Ox

Giả sử con quay quanh nhanh thì nó sẽ không đổ xuống mà cùng với cán trục quay xung quanh trục z đi qua giá đỡ Sự quay này của cả trục và con quay được gọi

là sự tiến động Nếu tác động một lực F hướng xuống tại điểm A thì momen động lượng L hướng ra theo hướng trục quay, vuông góc với lực F Con quay sẽ quay với vận tốc góc và vân tốc tiến động 

Do vậy, nếu con quay quay chậm lại (ví dụ như ảnh hưởng của ma sát), momen động lượng của nó sẽ giảm và dẫn đến vận tốc tiến động tăng Quá trình này

cứ tiếp tục cho đến khi thiết bị không thể quay đủ nhanh để chịu được sức nặng của

nó, thì nó sẽ dừng lại và rơi xuống

Ví dụ đơn giản được tác giả thực hiện trên bánh xe đạp, treo trên trần bằng một sợi dây thừng buộc ở một đầu trục quay bánh xe (xem Hình 2.9)

Hình 2.9 Ảnh chụp thực nghiệm kiểm chứng hiện tượng con quay hồi chuyển

Nếu bánh xe đang quay với vận tốc góc  thì nó sẽ không bị rơi vì bánh xe đang tiến động (với vận tốc ) xung quanh trục quay trong mặt phẳng nằm ngang (xem hình 2.10)

Hình 2.10 Tiến động của con quay quanh trục cố định

 1

 2

Xét riêng bánh xe đạp, khi tác dụng lực F hướng xuống (xem hình 2.9 b) bánh

xe chuyển động quanh trục của nó và momen xoắn (torque) hướng ra theo hướng trục quay, vuông góc với lực F Lực F tác động càng lớn, momen động lượng (angular momentum) càng lớn theo phương của momen xoắn

Xét cả hệ bánh xe và dây thừng, lực tác dụng trong trường hợp này là trọng lực, momen xoắn tác dụng lên trục bánh xe tạo ra momen động lượng vuông góc, khi buông tay ra, cả hệ bánh xe sẽ đánh võng để đi về trạng thái cân bằng

Xét cả hệ bánh xe và dây thừng, khi tác động 1 lực nhẹ quay bánh xe sẽ tạo momen xoắn theo hướng vuông góc với momen động lượng, do đó bánh xe sẽ chuyển động như lơ lửng trên không (xem hình 2.9c)

2.3 Đặc tính động lực học của con quay hồi chuyển

Việc nghiên cứu chuyển động của con quay hồi chuyển cho biết đặc tính động lực học của con quay (Quan hệ động lực học dùng nguyên lý con quay hồi chuyển được tham khảo từ tài liệu [20])

Minh họa một con quay hồi chuyển đơn giản như hình 2.11 dưới đây

Hình 2.11 Sơ đồ minh họa con quay hồi chuyển [20]

Hình 2.11 là một con quay hồi chuyển đơn giản gồm một con quay (có dạng hình đĩa dẹt) gắn vào một cái cán làm trục quay của con quay Đầu O của trục được đặt trên đỉnh của một cái giá đỡ sao cho trục này có thể quay tự do xung quanh giá đỡ

Nếu con quay không quay thì khi buông ra, dưới tác dụng của momen ngoại lực con quay sẽ rơi xuống Còn nếu con quay quay nhanh thì con quay không đổ xuống mà cùng với cán trục quay xung quanh trục thẳng đứng đi qua giá đỡ Khi đó con quay (có bán kính r) quay với vận tốc quay riêng là , nó chuyển động quanh gốc O với vận tốc tiến động là  (với góc tiến động θ không đổi)

Chọn hệ tọa độ Oxyz trong đó i, j, k là các vecto đơn vị treo trục x, trục y và trục z như hình 2.11, dễ thấy có hai ngoại lực tác dụng lên hệ (gồm con quay và trục của nó): trọng lượng P tác dụng hướng xuống, lực này đặt tại tâm G của con quay và lực Fo là lực tác dụng của giá đỡ lên trục tại O Lực Fo có đường tác dụng qua O nên

tác dụng lên hệ đối với điểm O là:

j mg j

P

P là trọng lượng con quay

Như vậy, khi con quay không quay, momen động lượng ban đầu của con quay

Lcq bằng 0, dưới tác dụng của gia tốc trọng trường g làm cho con quay sẽ bị rơi xuống.

Khi con quay quay nhanh thì ngay từ đầu con quay đã có momen động lượng

và nó quay với vận tốc quay riêng ω1 Khi tác động một lực lên con quay thì con quay sẽ tạo ra moomen hồi chuyển để con quay không những quay quanh trục của nó mà còn quay quanh trục thứ hai với vận tốc tiến động ω2, chính vì vậy con quay không bị đổ

Từ hình 2.11 có thể tìm được tốc độ tiến động của con quay và trục của nó xung quanh trục z

Sử dụng phương pháp toán học để xây dựng phương trình chuyển động cho con quay hồi chuyển như sau:

Xét chuyển động của con quay hồi chuyển như Hình 2.12

Hình 2.12 Sơ đồ phân tích lực [20]

Trên hình 2.12, do vận tốc riêng của con quay và vận tốc tiến động, các chất điểm ở nửa trên của con quay có gia tốc a1 theo phương pháp tuyến với con quay, các chất điểm ở nửa dưới con quay có gia tốc a2 theo phương pháp tuyến với con quay Theo định luật II Newton, F1 là lực tổng hợp ở phía trên con quay, F2 là lực tổng hợp phía dưới con quay Các lực F1 và F2 ngược chiều nhau Trọng lượng của con quay sẽ sinh ra một momen M để cân bằng các lực F1 và F2

Tương tự, xét một chất điểm trên con quay chuyển động với vận tốc không đổi, gia tốc của chất điểm có hướng vuông góc với vận tốc và hướng vào tâm quay (gia tốc hướng tâm)

Trên hình 2.13 chọn hệ qui chiếu XYZ có gốc đặt tại O, trục Z thẳng đứng còn mặt phẳng XY nằm ngang i, j, k là các vecto độ dài theo các trục X, Y, Z

Điểm G là khối tâm của con quay và g là gia tốc trọng trường

Vận tốc góc của con quay, so với hệ qui chiếu là:

dt

j d

dt

k j

dt

d dt

j d

sinsin

2 1 1

1 1

2 1

2 1

2

dt

dk k

dt

d dt

k d

Hình 2.14 Sơ đồ lực tác động lên con quay[20]

Trên hình 2.16, chọn hệ trục xyz được gắn vào con quay tại điểm G Với: Mx là momen tác động theo phương x, tại điểm G

My là momen tác động theo phương y, tại điểm G

Mz là momen tác động theo phương x, tại điểm G

FGX là lực tác động theo phương y, tại điểm G

FGY là lực tác động theo phương y, tại điểm G

FGZ là lực tác động theo phương z, tại điểm G

Áp dụng định luật II Newton cho con quay:

Gx Gx

F  

Gy Gy

F  

Gz Gz

Trong đó: m là khối lượng con quay

aGx là gia tốc của điểm G theo phương X

aGy là gia tốc của điểm G theo phương Y

aGz là gia tốc của điểm G theo phương Z

Vì điểm G chuyển động theo quĩ đạo tròn có vận tốc góc không đổi, nên không có gia tốc tiếp tuyến, aGx = 0 và FGx = 0, mà chỉ có gia tốc hướng tâm

Gia tốc góc tuyệt đối của con quay (so với giá) được tính theo các phương x, y, z là:

1

2 2

1 2 2

1 2