Mô hình mô phỏng lái xe ô tô cho cảm giác lái xe thật

hướng dẫn chi tiết từ đầu xây dựng mô hình mô phỏng lái xe cho cảm giác thật, sử dụng phần mềm mô phỏng simtool, game đua xe Live for Speed, module Arduino R3, mạch công suốt VNH2SP30, bộ vô lăng logitech.

1

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

LỜI MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG LÁI XE 6

1.1 TỔNG QUAN MÔ HÌNH MÔ PHỎNG 6

1.2 TỔNG QUAN MÔ HÌNH LÁI XE TRÊN THẾ GIỚI 8

1.3 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH LÁI XE TRONG NƯỚC 9

1.4 ĐẶT VẤN ĐỀ BÀI TOÁN NGHIÊN CỨU 11

1.4.1 Lựa chọn phần mềm mô phỏng 11

1.4.2 Chọn mô hình mô phỏng và những yêu cầu của mô hình mô phỏng 16 1.4.3 Mục đích và nội dung nghiên cứu 18

1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 18

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ, ĐỘNG HỌC MÔ HÌNH LÁI XE 19

2.1 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH LÁI XE 19

2.1.1 Thiết kế mô hình lái xe 19

2.1.2 Tính toán chọn động cơ 21

2.1.3 Kiểm tra bền các cơ cấu chịu tải trọng 24

2.2 TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC MÔ HÌNH LÁI XE 27

2.2.1 Các bậc tự do mô hình mô phỏng 27

2.2.2 Mô hình hóa quỹ đạo của mô hình lái xe 28

2.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 31

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN 32

3.1 PHẦN CỨNG BỘ ĐIỀU KHIỂN 32

3.1.1 Tay lái logitech formula force ex 33

3.1.2 Mạch điều khiển Arduino UNO R3 34

3.1.3 Mạch driver điều khiển động cơ VNH2SP30 39

3.1.4 Cảm biến góc WDD35 D1 43

3.1.5 Bộ biến đổi nguồn AC – DC 44

3.1.6 Động cơ điện một chiều DC 44

3.2 XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH LÁI XE 46

2

3.2.1 Ghép nối mạch điều khiển và phần mềm mô phỏng 46

3.2.2 Ghép nối mô hình lái xe với bộ điều khiển 51

3.2.3 Thuật toán PID 54

3.2.4 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển mô hình lái xe bán tự nhiên 57

3.2.5 Lập trình điều khiển mô hình 57

3.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 60

CHƯƠNG 4: THỰC THI VÀ THỬ NGHIỆM MÔ HÌNH LÁI XE 61

4.1 THỰC THI, CHẾ TẠO MÔ HÌNH LÁI XE 61

4.2 THỬ NGHIỆM MÔ HÌNH 62

4.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 65

KẾT LUẬN 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

PHỤ LỤC 69

3

LỜI MỞ ĐẦU

Trong thời đại phát triển của khoa học kỹ thuật ngày nay, mọi công việc mà trước đây phải trực tiếp làm việc với nó, thì ngày nay được thay thế bằng các dây chuyền sản xuất, điều khiển và xử lý công việc từ xa bằng các thiết bị tiên tiến mà khoa học kỹ thuật mang lại Ngày nay với sự phát triển của công nghiệp vi điều khiển, điện tử, kỹ thuật số, các hệ thống điều khiển dần dần được tự động hoá với những kỹ thuật tiên tiến như vi xử lý, vi mạch số… được ứng dụng vào lĩnh vực điều khiển, thì các hệ thống điều khiển cơ khí thô sơ với tốc độ xử lý chậm, ít chính xác sẽ được thay thế bằng các chương trình điều khiển tự động với các lệnh chương trình đã được con người chúng ta thiết lập trước Đặc biệt với nghành cơ điện tử thì kỹ thuật lập trình

vi điều khiển và điều khiển động cơ từ xa là được áp dụng rộng rãi nhất Hầu hết trong các nhà máy xí nghiệp hiện nay, mọi công việc dần dần được tự động hóa hoàn toàn

Cùng với sự phát triển của kỹ thuật, mô hình hóa bằng phương pháp khoa học dựa trên việc xây dựng mô hình của đối tượng nghiên cứu, sao cho việc nghiên cứu mô hình cho ta những thông tin (về thuộc tính, cấu trúc, chức năng, cơ chế vận hành ….) tương tự đối tượng nghiên cứu đó Cơ sở logic của phương pháp mô hình hóa là phép loại suy Phương pháp mô hình hóa cho phép tiến hành nghiên cứu trên những mô hình (vật chất hay ý niệm (tư duy)) do người nghiên cứu tạo ra (lớn hơn, bằng hoặc nhỏ hơn đối tượng thực) để thay thế việc nghiên cứu đối tượng thực Điều này thường xảy ra khi người nghiên cứu không thể hoặc rất khó nghiên cứu đối tượng thực trong điều kiện thực tế Phương pháp mô hình hóa xem xét đối tượng nghiên cứu như một hệ thống (tổng thể), song tách ra từ hệ thống (đối tượng) các mối quan hệ, liên hệ có tính quy luật có trong thực tế nghiên cứu, phản ánh được các mối quan hệ, liên hệ đó của các yếu tố cấu thành hệ thống đó là sự trừu tượng hóa hệ thống thực

4

Trong đó việc nghiên cứu, phát triển mô hình lái xe bán tự nhiên cũng là một trong những trọng tâm được rất nhiều các nhà khoa học hay các tố chức phát triển nhằm tạo ra những mô hình mang tính thực tế cao giúp cho cuộc sống của chúng ta ngày càng phát triển hơn

2 Mục đích đề tài

Đề tài nhằm nghiên cứu, thiết kế, chế tạo một mô hình lái xe bán tự nhiên nhằm mô phỏng lại quá trình lái xe trong thực tế Giúp chúng ta hiểu được quá trình một chiếc xe đang chạy sẽ có những bậc tự do nào tác dụng lên và nguyên

lý hoạt động của một chiếc xe

Phạm vi nghiên cứu của đề tài

- Thiết kế cơ khí và tính toán mô hình lái xe

- Nghiên cứu, xây dựng bộ điều khiển phù hợp với mô hình lái xe

3 Bố cục đồ án

Đồ án gồm 4 chương:

Mở đầu

Chương 1 Tổng quan về mô hình lái xe, và phần mềm mô phỏng

- Tổng quan về mô hình lái xe trong nước;

- Tổng quan về mô hình lái xe trên thế giới;

- Nghiên cứu, chọn phần mềm mô phỏng lái xe

Chương 2 Tính toán thiết kế, động học mô hình lái xe

- Tính toán thiết kế cơ khí mô hình lái xe;

- Tính toán động học mô hình lái xe

5

Chương 3 Xây dựng bộ điều khiển

- Tìm hiểu các thành phần trong bộ điều khiển;

- Ghép nối phần cứng và phần mềm;

- Xây dựng bộ điều khiển

Chương 4 Thực nghiệm và đánh giá

Kết luận và kiến nghị

Hà Nội ngày 25 tháng 4 năm 2016

Sinh viên thực hiện

Hoàng Hải Huy Nguyễn Trần Hiếu

Mô phỏng (Simulation) được ứng dụng rộng rãi trong kinh tế, kĩ thuật và nhiều

lĩnh vực khác Theo từ điển OXFORD "mô phỏng có nghĩa là giả cách, làm ra

vẻ như, hành động như, bắt chước giống với, mang hình thức của, giả bộ như làm giả các điều kiện của tình huống nào đó thông qua một mô hình với mục đích huấn luyện hoặc tiện lợi" Về mặt ý nghĩa kĩ thuật, mô phỏng (hay nói đúng hơn, phương pháp mô phỏng) hàm chứa việc áp dụng một mô hình nào đó để tạo

ra kết quả, chứ không có nghĩa là thử nghiệm một hệ thống thực tế nào đó đang cần nghiên cứu hay khảo sát Nếu mô hình có chứa các thành phần hay yếu tố ngẫu nhiên thì chúng ta có mô phỏng ngẫu nhiên Chúng ta xét mô phỏng trên hai quan điểm: nghệ thuật và kĩ thuật (với tư cách một công cụ), mà trong một

số trường hợp rất khó phân định ranh giới rạch ròi Trong chương này chúng ta nghiên cứu mô phỏng ngẫu nhiên về phương diện một số kĩ thuật Ngày nay công nghệ mô phỏng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như mô phỏng các hiện tượng vật lý, hóa học, y học…một trong số đó có lĩnh vực mô phỏng số và công nghệ ảo điển hình như mô phỏng lái xe ô tô, xe máy, máy bay, tàu ngầm nhầm phục vụ nhiều mục đích trong cuộc sống như huấn luyện quân sự, sản xuất hay các hệ thống giải trí:

7

- Trong huấn luyện quân sự các kỹ sư chế tạo các buồng lái đặc biệt để huấn luyện binh sĩ học lái xe quân sự, tàu ngầm hay máy bay nhằm giải quyết những vấn đề khó khăn trong huấn luyện như thao trường, vũ khí, thời tiết…

Hình 1.1 Các phi công được huấn luyện lái máy bay mô phỏng

- Trong công nghiệp sản xuất các kỹ sư có thể áp dụng công nghệ mô phỏng để học cách sử dụng một hệ thống, kiểm nghiệm hệ thống hay nghiên cứu về hệ thống đó Ví dụ như trong các hãng sản xuất xe hơi họ đều phát triển mô hình lái xe riêng để thiết kế và đưa ra những hệ thống lái chính xác và an toàn cho khách hàng, công nghệ này giúp cho các kỹ

sư tiết kiệm được rất nhiều thời gian và tiền bạc vào việc phát triển một chiếc xe thay vì họ phải làm trên một mô hình thật với rất nhiều các chi tiết phức tạp

8

Hình 1.2 Mô hình nghiên cứu hệ thống lái xe của Lexus

- Trong lĩnh vực giải trí các nhà phát triển thiết bị chơi game cũng áp dụng công nghệ mô phỏng để tạo ra các thiết bị chơi game có thể mang đến cho khách hàng cảm nhận toàn bộ cảm giác thật sự nhất

Hình 1.3 Hệ thống ghế lái xe giải trí của Obutto

1.2 TỔNG QUAN MÔ HÌNH LÁI XE TRÊN THẾ GIỚI

Trên thế giới mô phỏng lái xe đƣợc sử dụng để giải trí cũng nhƣ trong đào tạo của các khóa học đào tạo lái xe đã dạy trong các cơ sở giáo dục và các doanh nghiệp tƣ nhân Chúng cũng đƣợc sử dụng để nghiên cứu các mục đích trong

9

các khu vực của yếu tố con người và nghiên cứu y học, để theo dõi hành vi của lái xe, hiệu suất, và sự chú ý.Trong ngành công nghiệp xe hơi để thiết kế và đánh giá xe mới hoặc các hệ thống hỗ trợ lái xe cao cấp mới mô phỏng lái xe được sử dụng tại các cơ sở nghiên cứu trong nhiều mục đích Một số nhà sản xuất xe vận hành lái xe mô phỏng Nhiều trường đại học cũng hoạt động mô phỏng dùng cho nghiên cứu

Mô hình mô phỏng lái xe trên thế giới không chỉ phát triển riêng phục vụ cho mục đích nghiên cứu, giáo dục mà nó còn như là một thú chơi của những người yêu công nghệ, thích khám phá, thích cảm giác mạnh với những trò chơi đua xe Họ có hẳn những forum trao đổi kiến thức, chia sẻ kinh nghiệm chế tạo những mô hình mô phỏng cho riêng mình với rất nhiều chủng loại, kết cấu cơ khí và hình dáng vô cùng đa dạng, phong phú

Hình 1.4 Mô hình mô phỏng đua xe

1.3 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH LÁI XE TRONG NƯỚC

Ở nước ta hiện nay, chúng ta thường mô phỏng lại các hệ thống thực đã

có nhằm mục đích phục vụ đào tạo cấp bằng lái xe Trong các trường đào tạo bằng lái xe các kỹ sư xây dựng một hệ thống mô phỏng dạy lái xe ô tô bằng công nghệ thực tại ảo 3D được chế tạo nhằm tạo ra một ca bin giống như cabine thật của xe ô tô Người học sẽ sử dụng chiếc xe mô phỏng này để thực hiện các bài tập của mình trong một thế giới ảo 3D được lập trình sẵn tương tự như thế

10

giới thật mà khi thi lấy bằng lái xe hoặc tham gia giao thông chúng ta sẽ gặp phải Hệ thống đào tạo lái xe cơ bản giống với chiếc xe thực sự về mặt phần cứng vật lý như vô lăng, chân ga, ly hợp, phanh, hộp số, đồng hồ đo và phương pháp hoạt động Vì vậy hệ thống đào tạo này cung cấp cho người dùng tất cả những cảm giác như lái xe một chiếc xe thật Hệ thống góp phần giải quyết những vấn đề phức tạp mà người học lái xe thường gặp phải, không đủ thời gian

để tham gia vào công tác đào tạo lái xe, thiếu kinh nghiệm, giáo viên khó tính,

áp lực ganh đua học lái xe, tâm lý căng thẳng, kết quả kiểm tra thấp, và sau khi

có giấy phép lái xe nhưng không dám lái xe trên đường,… Hệ thống đào tạo

mô phỏng lái xe ô tô cho phép học trong sự thuận tiện và thoải mái, giải quyết được các vấn đề bất cập nói trên

Hình 1.5 Hệ thống mô phỏng dạy lái xe ở Việt Nam

MẠCH ĐIỀU KHIỂN

CƠ CẤU CHẤP

CẢM BIẾN GÓC

Hình 1.6 Sơ đồ khối cấu trúc bài toán

Cấu trúc bài toán sẽ nghiên cứu trong đề tài đƣợc trình bày trên hình 1.6 với các khối chức năng chính sau:

- Khối vô lăng và chân phanh, chân ga: khối này tạo tín hiệu lái xe, thay đổi

ga và phanh đƣa vào phần mềm lái xe thông qua cổng USB

- Khối phần mềm lái xe: đây là phần mềm lái xe có chức năng kết nối động với phần mềm mô phỏng SIMTOOL để truyền những trạng thái của xe

- Khối phần mềm mô phỏng SIMTOOL: là khối nhận các tín hiệu từ phần mềm lái xe và truyền các thông tin này ra phần cứng thông qua cổng USB

- Khối mạch điều khiển: nhận các thông tin từ khối phần mềm mô phỏng SIMTOOL, thực hiện các thuật toán điều khiển vòng kín điều khiển 02 động cơ chấp hành theo các thông tin đặt từ khối SIMTOOL và thông tin phản hồi góc từ khối phàn hồi góc

- Khối cơ cấu chấp hành là hai động cơ chấp hành thực hiện các chuyển động tạo rung động của khối cơ khí theo trạng của xe

- Hệ cơ khí là một ghế ngồi lái xe

- Khối cảm biến góc đo hai góc của hai động cơ chấp hành

12

quan sát một hoạt động thông qua mô phỏng mà không phải thực hiện thật hoạt động đó Phần mềm mô phỏng được sử dụng rộng rãi để kiểm tra thiết kế một sản phẩm nào đó để thấy được sản phẩm cuối cùng với đầy đủ thông số kỹ thuật

tốt nhất mà không tốn kém trong quá trình sửa đổi Hiện nay số lượng các phần

mềm mô phỏng trong lĩnh vực CNHH rất lớn, trong đó phải kể đến một số phần mềm mạnh và nổi tiếng như : PRO/II, Dynsim (Simsci); HYSIM, HYSYS, HTFS, STX/ACX, BDK (Hyprotech); PROSIM, TSWEET (Bryan research & engineering); Design II (Winsim); IDEAS Simulation; Simulator 42; Sim Tool; Flight Simulator X; 3D Driving school, Xsim… trong đó phần mềm mô phỏng

lái xe thông dụng là Sim Tool và X-simulator

Qua quá trình nghiên cứu nhóm đồ án đã chọn phần mềm Sim Tool làm phần mềm mô phỏng cho đồ án của mình vì đây là một phần mềm đơn giản, giao diện thân thiện với người dùng, có thể đưa ra được nhiều thông số chi tiết,

có thể mô phỏng được nhiều bậc tự do, điều chỉnh được nhiều thông số chi tiết

và có thể hoạt động trên rất nhiều game đua xe khác nhau Phần mềm Sim Tool gồm có 2 phần là Sim Tools Game Engine và Sim Tools Game Manager

a) Sim Tool Game Engine: phần truyền nhận dữ liệu mô phỏng

Hình 1.7 Giao diện chính của Sim Tool Game Engine

- Axis Assignments: là phần giao diện thiết lập thông số đầu vào, phân chia các trục, chọn trục, các bậc tự do cần mô phỏng Trong phần này có sáu trục cho ta

13

lựa chọn từ trục một tới trục sáu tùy theo mô hình mô phỏng, và các lực tác động theo các bậc tự do cần mô phỏng Ngoài ra, có thể cài đặt số phần trăm một trục sẽ mô phỏng một bậc tự do so với tính hiệu đầu vào của bậc tự do đó

Hình 1.8 Giao diện trong phần Axis Assignments

- Interface Settings: là phần giao diện cài đặt các thông số truyền nhận giữ liệu, giao tiếp giữa phần cứng và phần mềm Phần mềm simtool engine có thể lưu được nhiều giao diện giao tiếp cho nhiều mục đích mô phỏng khác nhau, nhưng nhìn chung các giao diện giao tiếp điều bao gồm các thông số giống nhau, cần thiết cho việc giao tiếp, truyền nhận dữ liệu giữa chương trình game và phần cứng Các thông số được cài đặt ở đây bao gồm:

+ Output Type: giao thức giao tiếp giữa phần phần cứng và phần mềm + Comport: cổng com sẽ được sử dụng cho việc truyền nhận

+ BitsperSec: là tốc độ truyền nhận số bit truyền nhận trên một giây

+ Data bits: số bit dữ liệu trong một khung dữ liệu

+ Parity: bit kiểm tra dữ liệu

+ Loại số được dùng để truyền nhận mã nhị phân, mã mười hay mã mười

sáu

14

Hình 1.9 Giao diện trong phần Interface Settings

- Output Testing: là phần giao diện kiểm tra các thông số đầu ra Phần này được dùng để kiểm tra kết nối, truyền nhận giữa phần mềm và phần cứng bằng cách bật chế độ lên, chương trình cho phép ta giả tạo tín hiệu đầu vào và kiểm tra tín hiệu ra trên phần cứng

Hình 1.10 Giao diện trong phần Output Testing

- Tools: là phần giao diện để cài đặt, nhập một phần cài đặt các thông số ở phần trên đã có sẵn từ một file bên ngoài hoặc cũng có thể lưu phần cài đặt các thông

số ở phần trên thành một file chia sẻ với người khác

15

Hình 1.11 Giao diện trong phần Tools

b) Sim Tool Game Manager:

Hình 1.12 Giao diện của Sim Tools Game Manager

Simtool – Game Manager phần quản lý các chương trình game được kết nối với phần mềm mô phỏng Khi một trong số các game đã được kết nối với phần mềm mô phỏng thì nó có nhiềm vụ kết nối game với phần game engine để thực hiện truyền nhận dữ liệu mô phỏng Simtool – Game Manager có ba trạng thái được báo trên màn hình:

16

+ Not connect: trạng thái báo hai phần Simtool – Game Manager và Simtool

– engine không được kết nối với nhau

+ Connected: trạng thái báo hai phần của simtool đã được kết nối với nhau,

sẵn sàng cho việc chạy chương trình game

+ Game running: trạng thái báo simtool kết nối thành công với chương trình

game và đang gửi dữ liệu cần mô phỏng tới phần Game engine

Chức năng của các phần trong Simtool – Game Manager:

- Game selection: cho phép chọn game muốn sử dụng để mô phỏng và đã được cài đặt, kết nối sẵn với chương trình

- Profile selection: chọn các chế độ khác nhau đã được cài đặt để phù hợp với từng mô phỏng

- Patching: liên kết một game mới với phần mềm mô phỏng

1.4.2 Chọn mô hình mô phỏng và những yêu cầu của mô hình mô phỏng

Công nghệ mô phỏng ngày càng được sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực hoạt động của con người từ mô phỏng trong nghiên cứu, phát triển khoa học, công nghệ đến ứng dụng mô phỏng trong lĩnh vực giáo dục, đào tạo Một chương trình máy tính có thể mô phỏng các mạch điện tử, cơ điện tử, hệ thống điều khiển tương tác Về lý thuyết, bất kỳ sự vật, hiện tượng nào có thể được mô

tả bằng dữ liệu và phương trình toán học đều có thể được mô phỏng trên máy tính Mô phỏng thường là rất khó khăn vì hầu hết các hiện tượng tự nhiên có số lượng gần như vô hạn các tham số gây ảnh hưởng Vì vậy để phát triển các ứng dụng mô phỏng có hiệu quả cần xác định những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến mục tiêu của nhiệm vụ mô phỏng Trên thế giới có rất nhiều mô hình

mô phỏng lái xe khác nhau được sử dụng với nhiều mục đích khác nhau Mỗi

mô hình sẽ mô phỏng số bậc tư do khác nhau để phù hợp với công việc, giá thành hay nhu cầu của người sử dụng

17

Hình 1.13: Mô hình mô phỏng lái xe 6 bậc tự do

Sau khi nghiên cứu kỹ lưỡng về các mô hình mô phỏng lái xe hai bậc tự

do cùng với sự học tập các thiết kế đã có sẵn trên thị trường trong nước và trên thế giới, căn cứ vào điều kiện thực tế, khả năng gia công chế tạo của mình, nhóm đề tài đã lựa chọn mô hình mô phỏng có dạng như hình vẽ:

Hình 1.14: Mô hình mô phỏng lái xe hai bậc tự do nhóm sẽ nghiên cứu

tế Giúp chúng ta hiểu đƣợc quá trình một chiếc xe đang chạy sẽ có những bậc

tự do nào tác dụng lên và nguyên lý hoạt động của một chiếc xe

b Nội dung nghiên cứu:

Bài toán nghiên cứu mô phỏng quá trình lái xe với 2 bậc tự do quay quanh trục X và Y, thiết kế bộ điều khiển phù hợp với mô hình

19

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ, ĐỘNG HỌC MÔ HÌNH LÁI XE 2.1 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH LÁI XE

Việc tính toán thiết kế mô hình lái xe bao gồm tính chọn công suất động

cơ phù hợp với tải trọng yêu cầu và thiết kế các cơ cấu đảm bảo được độ bền cơ học, độ an toàn, tin cậy trong quá trình vận hành đồng thời cũng giảm được chi phí và thời gian trong quá trình chế tạo và thử nghiệm mô hình Công đoạn tính toán này đặc biệt quan trọng và cần thiết đối với những cơ cấu làm việc ở điều kiện chịu tải trọng lớn, còn với các cơ cấu chịu tải trọng nhẹ hoặc không chịu tải trọng thì chỉ tiêu độ bền, độ cứng vững có tầm quan trọng thấp hơn so với các tiêu chí khác như tiêu chí về giá thành, tiêu chí thẩm mỹ, và tiêu chí gọn nhẹ

2.1.1 Thiết kế mô hình lái xe

Mô hình được xây dựng trong đề tài có kết cấu gồm các phần chính: phần

đế, phần thân ghế, khớp cầu đóng vai trò là trục quay, động cơ, cơ cấu phát động, cơ cấu thanh truyền Qua quá trình nghiên cứu các kết cấu, mô hình ghế học lái xe và các mô hình mô phỏng lái xe đã có trong nước và trên thế giới, kế thừa từ những tìm hiểm đó và căn cứ với điều kiện thực tế có thể của mình, mô hình lái xe bán tự nhiên trong đồ án sẽ được xây dựng với hình dạng và những kích thước cơ bản như sau:

Hình 2.1 Các kích thước cơ bản của mô hình lái xe

20

Mô hình lái xe được gia công bằng phương pháp hàn các thanh thép hộp để tạo hình mô hình ghế lái xe, mô hình gồm ba phần chính: phần đế có kích thức dài

105 cm, rộng 37 cm được làm từ hộp kẽm 20x40(mm),ghế lái có kích thức dài

105 cm, rộng 37 cm được làm từ thanh thép mã kẽm 20x20(mm) Tâm quay của

mô hình là cơ cấu giúp cho ghế lái có thể chuyển động được theo các hướng khác nhau theo ý đồ mô phỏng để đáp ứng được yêu cầu này, cơ cấu được chọn

là khớp cầu trong hệ thống dẫn động của ôto

Hình2.2 Khớp cầu

Hình 2.3 Khớp cầu được ghép với phần đế

Hình 2.5 Mô hình vị trí tải trọng lớn nhất đặt lên động cơ

22

Đặt vào tâm quay O của mô hình một hệ trục tọa độ Oxyz, lấy vị trí gốc của hệ trục tọa độ là vị trí mô hình ở trạng thái cân bằng, tại vị trí đó có trục Ox trùng với phương chiều dài mô hình, Oy là trục trùng với phương chiều ngang của mô hình, Oz trùng với phương chiều cao của mô hình Tải trọng lớn nhất mà mô hình lái xe đặt lên động cơ là vị trí mà ghế lái xe có độ nghiêng lớn nhất (vị trí

mà một động cơ tại vị trí thấp nhất, một động cơ ở vị trí cao nhất trong quỹ đạo chuyển động của nó) được mô tả như trên Hình 2.5 Chiếu các thành phần tải trọng lên mặt phẳng Oxz, các thành phần lực được biểu diễn như trong hình:

Hình 2.6 Mô hình đặt lực

Trong đó:

- P’=P.cos(α) là trọng lực của cơ thể người và thân ghế (P = 100kg, α=45°);

- F là lực đẩy động cơ tác động lên thân ghế (N);

- M là momen của động cơ (Nm);

- L1, L2 là khoảng cách của các điểm đặt lực tới tâm quay (L1=10cm, L2=40 cm);

- AB là cánh tay đòn (cơ cấu phát động, AB = 3 cm);

- BC là thanh truyền (30 cm)

Viết phương trình cân bằng momen tại tâm quay O ta có:

P’ L1 = F L2  P cos(45°) L1 = F L2

 F = = 176,8 (N) => lực cần đặt vào điểm C là F = 176,8(N)

23

Xét các lực đặt tại điểm B nhƣ hình vẽ:

Hình 2.7 Sơ đồ đặt lực tại B

Trong đó:

- F là lực động cơ truyền cho thanh dẫn động BC (F = 176,8 N);

- F1 là lực do momen động cơ tạo ra;

Theo công thức tính công suất động cơ:

P = M Trong đó:

- M là momen đƣợc tạo ra bởi động cơ: M = F1 R;

P = M ω k = 6,25 14,3 1.5 = 134,1(w)

24

=> Nhƣ vậy, cần chọn động cơ có công suất tối thiểu là 134,1(w) để đáp ứng

đủ tải mô hình lái xe có thể hoạt động

2.1.3 Kiểm tra bền các cơ cấu chịu tải trọng

Cơ cấu chịu tải trọng lớn trên mô hình lái xe là khâu phát động, và khâu truyền động, phần này sẽ đƣợc dành để tính bền cho các cơ cấu trên bằng phần mềm Inventor Các cơ cấu đƣợc thiết kế trên phần mềm Inventor nhƣ trong hình:

25

Hình 2.10 Kết quả kiểm nghiệm độ bền cơ học cơ cấu phát động

Cơ cấu phát động được thiết kế có kích thước 2cm x 5 cm, vật liệu sắt xám Và theo như kết quả kiểm nghiệm bằng phần mềm Inventor, cơ cấu có thể chịu tải trọng tối đa 57540 MPa Đối với tải trên mô hình lái xe đặt vào cơ cấu, dựa vào sự phân bố các vùng màu trên cơ cấu sau mô phỏng cho kết quả cơ cấu

có thể hoạt động an toàn với tải trọng yêu cầu của mô hình

Hình 2.11 Kết quả kiểm nghiệm cơ học cơ cấu thanh truyền

Cơ cấu thanh truyền được thiết kế 2cm x 40cm, chất liệu là thép cacbon

Và theo như kết quả kiểm nghiệm bằng phần mềm Inventor, cơ cấu có thể chịu tải trọng tối đa 20,740 MPa Đối với tải trên mô hình lái xe đặt vào cơ cấu, sau

26

khi mô phỏng, dựa vào sự phân bố các vùng màu trên cơ cấu, kết quả có một số điểm nguy hiểm trên cơ cấu nhƣng cơ cấu vẫn có thể hoạt động an toàn với tải yêu cầu

Hình 2.12 Kết quả kiểm nghiệm độ biến dạng cơ cấu phát động

Theo kết quả kiểm nghiệm cơ cấu có biến dạng lớn nhất tại vị trí chịu lực,

độ biến dạng lớn nhất là 2.69e mm

Hình 2.13 Kết quả kiểm tra biến dạng cơ cấu truyền động

Theo kết quả kiểm nghiệm cơ cấu có biến dạng lớn nhất tại vị trí chịu lực,

độ biến dạng lớn nhất là 0.006 mm

Hình 2.14 Sáu bậc tự do trong tự nhiên

Mô hình lái xe bán tự nhiên được nghiên cứu trong phạm vi của đồ án là

mô hình mô phỏng hai bậc tự do của xe đi trên đường trong tự nhiên bao gồm:

- Pitch: là bậc tự do các lực làm cho xe quay quanh trục Y gây nên

Chuyển động của bậc tự do này có thể có được khi xe lên dốc, xuống dốc theo dao động của đường, do tác động của lực quán tính lên xe hoặc các ngoại lực khác làm cho xe có chuyển động quay quanh trục Y

Hình 2.15 Các chuyển động làm xe quay quanh trục Y

- Roll: là bậc tự do mô phỏng các lực làm cho xe quay quanh trục X

Chuyển động của bậc tự do này có thể có khi xe di chuyển trên đường gồ ghề,

2.2.2 Mô hình hóa quỹ đạo của mô hình lái xe

Mô hình lái xe bán tự nhiên mô phỏng hai bậc tự do là hai chuyển động quay quanh trục X, Y, hay nói cách khác, mô hình lái xe bán tự nhiên mô phỏng các lực đặt vào xe trong tự nhiên làm cho xe có khả năng có chuyển động quay quanh trục X,Y Mô hình hóa mô hình lái xe có dạng nhƣ hình vẽ:

Hình 2.17 Mô hình hóa chuyển động mô hình lái xe

29

Trong đó:

 D1C1, D2C2 là các cơ cấu phát động;

 θ1, θ2 là các góc được tạo ra bởi các khâu dẫn động;

 C1B1, C2B2 là các cơ cấu thanh truyền;

 Điểm A là trọng tâm ghế lái của mô hình mô phỏng;

 Hệ trục tọa độ Oxyz đặt tại khớp cầu cố định, gốc O;

 Góc α, β là các góc tạo thành bởi OA khi mô hình quay quanh trục Y, và trục X

Gọi điểm A trên hình vẽ là tâm của ghế lái xe Đặt một hệ trục tọa độ Oxyz có tâm O đặt tại khớp cầu cố định, coi vị trí gốc của hệ trục tọa độ trùng với vị trí xe khi xe ở trạng thái cân bằng, có trục z trùng với OA, trục y trùng với trục chuyển động của mô hình theo bậc tự do pitch, trục x trùng với trục chuyển động của mô hình theo bậc tự do roll đã quy ước trên hình 2.14 Tại vị trí cân bằng của mô hình lái xe là vị trí các góc θ1 = 0, θ2 = 0 và quy ước chiều dương là chiều các khâu D1C1, D2C2 quay thuận chiều kim đồng hồ tạo các góc θ1, θ2 có giá trị dương, chiều âm là chiều các khâu D1C1, D2C2 ngược chiều kim đồng hồ tạo các góc θ1, θ2 có giá trị âm Điểm tâm ghế lái A có quỹ đạo chuyển động phụ thuộc vào hai góc quay θ1, θ2 Các vị trí của điểm A trên quỹ đạo chuyển động

có thể được xác định trên hệ trục tọa độ Oxyz thông qua vị trí ban đầu của điểm

A tại vị trí cân bằng và các góc quay θ1, θ2.Tại vị trí cân bằng tọa độ của điểm A=(0,0,OA) được biểu diễn trên Hình 2.17 Trong quá trình hoạt động, điểm A chuyển động theo hai bậc tự do là quay quanh trục X, và quay quanh trục Y tạo thành các góc α,β so với vị trí cân bằng từ đó có thể xác định được vị trí của điểm A trên hệ trục tọa độ Oxyz Xem xét quỹ đạo chuyển động của điểm A khi quay quanh trục Y, quỹ đạo chuyển động của điểm A trên mặt phẳng Oxz được biểu diễn trên hình vẽ sau:

30

Hình 2.18 quỹ đạo chuyển động của điểm A quay quanh trục Y

Vị trí của điểm A tại thời điểm t bất kỳ khi chuyển động quay quanh trục

Hình 2.19 Qũy đạo chuyển động của điểm A quay quanh trục Ox

Vị trí của điểm A tại thời điểm t bất kỳ khi chuyển động quay quanh trục Oy đƣợc xác định theo công thức:

xA(t) = 0

yA(t) = OA sin(βt)

zA(t) = OA cos(βt)

31

Chuyển động trên của mô hình đƣợc mô hình mô phỏng bằng chuyển động kết hợp của hai động cơ quay cùng chiều nhau cùng một góc θ để mô hình chuyển động một góc β quanh trục Ox và β = θ Tổng hợp chuyển động của hai bậc tự

do trên, ta đƣợc chuyển động của mô hình lái xe hai bậc tự do:

Hình 3.1 Các thành phần trong bộ điều khiển

Nguyên lý hoạt động, truyền nhận tín hiệu của bộ điều khiển: máy tính đƣợc cài đặt phần mềm mô phỏng simtool, cài ứng dụng đua xe dùng để mô phỏng và cài đặt đầy đủ driver cho các thiết bị phần cứng kết nối với máy tính (gồm có vô lăng, chân ga, chân phanh và mạch điều khiển arduino) Các thiết bị phần cứng đƣợc kết nối với máy tính qua các cổng USB Khi các phần mềm đƣợc khởi chạy bắt đầu cho quá trình mô phỏng, ứng dụng đua xe sẽ nhận tín hiệu điều khiển từ tay lái vô lăng phần cứng, tín hiệu trạng thái xe từ game đƣợc gửi đến phần mềm simtool Phần mềm simtool mã hóa tín hiệu này, sau đó gửi

33

tín hiệu này dưới dạng số hex xuống mạch điều khiển Mạch điều khiển sẽ nhận

dữ liệu và quy đổi thành tín hiệu xung gửi đến mạch công suất, điều khiển hai động cơ để mô hình mô phỏng lại trạng thái xe trong ứng dụng đua xe Hai động

cơ một chiều được ghép nối với cảm biến, cảm biến gửi tín hiệu phản hồi vị trí hiện tại của động cơ về mạch điều khiển để mạch điều khiển điều chỉnh tín hiệu xung, điều khiển động cơ đến vị trí yêu cầu Chi tiết về các thành phần trong bộ điều khiển bao gồm:

3.1.1 Tay lái logitech formula force ex

Hình 3.2 Tay lái logitech formula force ex

Đây là sản phẩm logitech formula force E-UM14 là một trong số rất nhiều những mẫu sản phẩm tay lái của hãng logitech được thiết kế để tương thích với một loạt các ứng dụng đua xe như Live for speed, need for speed, Dirt 3 Một

số các thông số kỹ thuật của sản phẩm: đường kính d = 25cm, khối lượng 3.2 kg, sản phẩm này có thể kết nối với máy tính, góc quay tối đa 180°, có 16 nút bấm

có thể cài đặt chức năng tùy theo ý muốn của người dùng Sản phẩm này có thể kết nối với máy tính thông qua cổng USB, tín hiệu truyền xuống máy tính từ tay lái là tín hiệu điện (tín hiệu analog) và tín hiệu điều khiển ứng dụng lái xe được đồng bộ hóa qua phần mềm dirver của sản phẩm

34

Hình 3.3 Giao diện driver của tay lái logitech formula force ex

3.1.2 Mạch điều khiển Arduino UNO R3

a) Tổng quan về Arduino UNO R3

Arduino UNO R3 thật ra là một bo mạch vi xử lý được dùng để lập trình tương tác với các thiết bị phần cứng như cảm biến, động cơ, đèn hoặc các thiết

bị khác Đặc điểm nổi bật của Arduino là môi trường phát triển ứng dụng cực kỳ

dễ sử dụng Arduino hiện nay đã được biết đến một cách rộng rãi tại Việt Nam,

và trên thế giới thì nó đã quá phổ biến Sức mạnh của chúng ngày càng được chứng tỏ theo thời gian với vô vàn các ứng dụng mở (open source) độc đáo được chia sẻ rộng rãi Với Arduino bạn có thể ứng dụng vào những mạch đơn giản như mạch cảm biến ánh sáng bật tắt đèn, mạch điều khiển động cơ hoặc cao hơn nữa bạn có thể làm những sản phẩm như: máy in 3D, Robot, khinh khí cầu, máy bay không người lái Nhắc tới dòng mạch Arduino dùng để lập trình, cái đầu tiên mà người ta thường nói tới chính là dòng Arduino UNO Hiện dòng mạch này đã phát triển tới thế hệ thứ 3 (R3) Arduino Uno r3 sử dụng chip Atmega328 Nó có 14 chân digital I/O, 6 chân đầu vào (input) analog, thạch anh dao động 16Mhz Một số thông số kỹ thuật như sau:

Điện áp hoạt động 5V

Điện áp khuyên dùng 7-12V

35

Điện áp giới hạn 6-20V

Số chân Digital I/O 14 (có 6 chân điều chế độ rộng xung PWM)

Số chân Analog (Input ) 6

Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30mA

Dòng ra tối đa (5V) 500mA

b) Sơ đồ bố trí chân của Arduino uno r3

36

chân Vin và GND để cấp nguồn cho Arduino Bo mạch hoạt động với nguồn ngoài ở điện áp từ 5 – 12 volt Chúng ta có thể cấp một áp lớn hơn tuy nhiên chân 5V sẽ có mức điện áp lớn hơn 5 volt Và nếu sử dụng nguồn lớn hơn 12 volt thì sẽ có hiện tượng nóng và làm hỏng bo mạch Khuyến cáo nên dùng nguồn ổn định là 5 đến dưới 12 volt Các chân nguồn trên arduino uno r3:

+ Chân GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO Khi dùng các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối với nhau

+ Chân 5V: cấp điện áp 5V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA + Chân 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA

+ Chân Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, bạn nối cực dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND

+ Chân IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể được đo ở chân này Và dĩ nhiên nó luôn là 5V Mặc dù vậy bạn không được lấy nguồn 5V từ chân này để sử dụng bởi chức năng của nó không phải là cấp nguồn

mở rộng tới 8 kênh, khả năng lập trình được watchdog timer, hoạt động với 5 chế độ nguồn, có thể sử dụng tới 6 kênh điều chế độ rộng xung (PWM), hỗ trợ bootloader

37

Atemega328 có khả năng hoạt động trong một dải điện áp rộng (1.8V – 5.5V), tốc độ thực thi (thông lượng) 1MIPS trên 1MHz Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu Chúng chỉ có 2 mức điện áp là 0V

và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA Ở mỗi chân đều có các điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong vi điều khiển ATmega328 (mặc định thì các điện trở này không được kết nối)

Hình 3.5 Sơ đồ bố trí chân chip atemega 328

Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:

+ 2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX) dùng để gửi (TX) và nhận (RX) dữ liệu TTL Serial Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khác thông qua 2 chân này Kết nối bluetooth thường thấy nói nôm na chính là kết nối Serial không dây Nếu không cần giao tiếp Serial, không nên sử dụng 2 chân này nếu không cần thiết

+ Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép xuất ra xung PWM với

độ phân giải 8bit (giá trị từ 0 → 28

-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàm analogWrite() Nói một cách đơn giản, có thể điều chỉnh được điện áp ra ở chân này từ mức 0V đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V như những chân khác