Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật THIẾT kế, CHẾ tạo và THỬ NGHIỆM mô HÌNH XE HAI BÁNH tự cân BẰNG

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.. Mô hình toán học của xe cân bằng dùng con quay hồi chuyển đã đượ

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

Mã số: 60520103

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN, 2014

Công trình được hoàn thành tại:

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP – ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Văn Dự

Phản biện 1: GS.TSKH Phạm Văn Lai

Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Văn Tuấn

Luận văn này được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn

Họp tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN

Vào hồi 9 giờ 30, ngày20 tháng 4 năm 2014

Có thể tìm hiểu luận văn tại

- Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên

- Thư viện trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp

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

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

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

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

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

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

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

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]

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

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 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

 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

2.1 Giới thiệu

Chương này giới thiệu chung về cấu tạo, phân tích nguyên lý làm việc và ứng dụng của con quay hồi chuyển Đề xuất mô hình xe hai bánh tự cân bằng

Phần 2.2 tiếp theo trình bày cơ sở lý thuyết cân bằng dùng con quay hồi chuyển Đặc tính động lực học con quay hồi chuyển được trình bày trong phần 2.3 Phần 2.4 trình bày các mô hình con quay làm cơ sở đề xuất mô hình thử nghiệm khả năng tự cân bằng của xe Ứng dụng của con quay hồi chuyển được trình bày trong phần 2.5 Các kết luận chính được trình bày trong phần cuối cùng, phần 2.6

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

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

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

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 2.1 Nguyên lý hoạt động của con quay

Trên Hình 2.1, 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

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 2.2

dưới đây

Hình 2.2 Sơ đồ minh họa con quay hồi chuyển [20]

Hình 2.2 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) Khi đó momen động học toàn phần của hệ có giá trị gần bằng momen con quay

Momen con quay được xác định theo công thức:

2.4 Mô hình và đặc điểm các cơ cấu

Từ những năm 1900 đến nay, có rất nhiều công trình nghiên cứu về con quay hồi chuyển và sử dụng con quay hồi chuyển để thiết

kế xe hai bánh tự cân bằng Trong đó có mô hình sử dụng một con quay và mô hình sử dụng hai con quay Các mô hình này có đặc điểm như sau:

Mô hình sử dụng một con có đặc điểm:

 Mô hình này gồm một con quay gắn trên khung, để cho con quay có thể quay được trong khung thì cần sử dụng một động cơ có tốc độ quay cao

 Thiết kế đơn giản, nhỏ gọn

 Có khung con quay để đảm bảo an toàn trong quá trình sử dụng

Mô hình sử dụng 2 con quay có đặc điểm:

 Tạo ra lực tiến động lớn

 Thiết kế phức tạp hơn, do sử dụng hai con quay nên cần thêm động cơ, dẫn đến tăng trọng lượng, tăng chi phí và gây ồn hơn

 Để điều khiển các con quay cần dùng đến thuật toán điều khiển phức tạp hơn

Qua việc phân tích đặc điểm các mô hình, cho thấy mô hình một con quay có kết cấu đơn giàn, nhỏ gọn hơn và điều khiển cũng đơn giản hơn mô hình dùng hai con quay hồi chuyển Vì vậy đã có một số nhóm sinh viên trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp đã làm nhưng tính ổn định của cơ hệ chưa cao

Qua thực tế thử nghiệm các mô hình, cho thấy mô hình một con quay trục đứng đạt tính ổn định cao hơn Vì vậy trong luận văn này sẽ thử nghiệm khả năng chịu momen lật và momen chống lật của

xe sử dụng một con quay hồi chuyển trục đứng

2.5 Ứng dụng của con quay hồi chuyển

Con quay hồi chuyển thường được sử dụng trong các phòng thí nghiệm vật lý của các trường học và các viện nghiên cứu kỹ thuật

Con quay hồi chuyển được dùng với gia tốc kế trong các thiết bị di động hiện đại ngày nay, đặc biệt là điện thoại thông minh

và máy tính bảng Con quay hồi chuyển hoạt động dựa trên các nguyên lý bảo toàn momen động lượng nên phương của trục con quay không đổi trong không gian Tính chất này được dùng để xác định phương hướng Trong các tàu biển, con quay hồi chuyển được dùng trong các hệ thống định vị hướng, giống như một la bàn Do có

độ chính xác cao nên con quay hồi chuyển cũng được dùng để định hướng trong khai thác mỏ, hầm lò

Ngoài ra con quay hồi chuyển còn có ứng dụng quan trong trong việc giữ cân bằng cho các xe hai bánh và ổn định cho tàu thuyền Đến nay, đã có nhiều công bố khoa học [1,17], các doanh nghiệp [Gyrobike, Lit Motor] quan tâm cả về lý thuyết lẫn thực