Nghiên cứu thiết kế và chế tạo xe hai bánh cân bằng tự động

ĐỒN THANH NIÊN CỘNG SẢN HỒ CHÍ MINH BAN CHẤP HÀNH TP HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH DỰ THI GIẢI THƯỞNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC EURÉKA LẦN THỨ XX NĂM 2018 TÊN CƠNG TRÌNH: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO XE HAI BÁNH CÂN BẰNG TỰ ĐỘNG LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU: Kỹ thuật công nghệ CHUN NGÀNH: Kỹ thuật cơng nghệ Mã số cơng trình: …………………………… (Phần BTC Giải thưởng ghi) i MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH iii TÓM TẮT ĐẶT VẤN ĐỀ Lý chọn đề tài 2 Mục tiêu nghiên cứu Nhiệm vụ đề tài Đối tượng nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn, quy mô phạm vi áp dụng PHẦN 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Đại Cương vật rắn 1.1.1 Chuyển động vật rắn 1.1.2 Momen động lượng hệ 1.1.3 Phương trình chuyển động quay vật rắn quanh trục cố định 1.2 Lý thuyết quay 11 1.2.1 Nhắc lại momen động lượng vật rắn 11 1.2.2 Chuyển động quay tự vật rắn 13 2.2.3 Chuyển động vật rắn quay quanh điểm cố định Con quay hồi chuyển 16 PHẦN 2: MỤC TIÊU - PHƯƠNG PHÁP 20 2.1 Mục tiêu 20 PHẦN 3: KẾT QUẢ - THẢO LUẬN 22 3.1 Lựa cho ̣n phương pháp thiế t kế 22 3.1.1 Các phương án thiế t kế phần điều khiển 22 3.1.2 Phương án thiế t kế khung sườn cho xe 23 3.1.3 Phương án chọn động cho bánh đà 24 3.2 Các thông số đầ u vào cần thiết xe hai bánh tự cân 25 ii 3.3 Tiń h toán thiế t kế xe hai bánh tự động cân 26 3.3.1 Tính tốn chọn mua motor quay bánh đà 26 3.3.2 Xác định thông số cho nguồn acquy 27 3.3.3 Tính toán lựa chọn bánh xe motor điện cho bánh xe 28 3.3.4 Thiết kế mơ hình khí xe hai bánh tự cân 33 3.3.5 Thiết kế mơ hình mạch điện 43 3.4 Thi công, lắp ráp hệ thống mơ hình xe hai bánh tự cân 52 3.4.1 Thi công mô mô hình điện- điện tử cho xe hai bánh tự cân 52 3.5 Mơ Hình mơ điện 58 3.6 Thi công, lắp ráp hệ thống mơ hình xe hai bánh tự cân 62 PHẦN 4: KẾT LUẬN - ĐỀ NGHỊ 73 4.1 Kế t luâ ̣n đề tài 73 4.2 Hướng phát triể n 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 iii DANH MỤC HÌNH ẢNH TĨM TẮT Xe hai bánh tự cân kết hợp hồn hảo tính tiện nghi xe tính linh hoạt xe gắn máy Để làm vậy, chúng em dựa nguyên lý hoạt động quay hồi chuyển, nghiên cứu chế tạo xe hai bánh tự cân không đồng trục Loại xe xe máy, chạy đường hẹp, dể quan sát, điểm mù xe đặc biệt xe có tính khơng bị lật va chạm Không giống xe scooter hay xe hai bánh thơng thường, xe hai bánh khơng đồng trục xe máy tự cân Đề tài quan tâm từ việc tính tốn thơng số đầu vào, đầu ra, cảm biến góc nghiêng MPU 6050 từ xây dựng nên mơ phỏng, thiết kế mơ hình, thực phần điện tử để điều khiển, viết chương trình điều khiển với mục đích cuối tạo mơ hình xe di chuyển cân hai bánh xe Ngoài ra, áp dụng định luật học Newton, định luật bảo toàn momem động lượng, học vật rắn (điều khiển motor quay bánh đà để trì vị trí cân xe chuyển động đứng yên có ngoại lực bất ngờ tác động vào) Để chứng minh hồn tồn có khả để điều khiển mơ hình xe tự cân nhờ hệ thống điều khiển motor quay bánh đà ĐẶT VẤN ĐỀ Lý chọn đề tài Xe hai bánh tự cân phương tiện cá nhân mới, kết hợp hoàn hảo tính tiện nghi xe tính linh hoạt xe gắn máy, sử dụng hệ thống ổn định quay hồi chuyển để đứng thẳng không di chuyển Xe hai bánh tự cân di chuyển đường hẹp có hệ thống làm mát làm cho người xe có cảm giác để chịu tham gia giao thông Việt Nam nằm vùng khí hâu nhiệt đới nên việc di chuyển xe máy vào thời tiết nắng nóng cảm thấy khó chịu bụi bẩn khí thải động nhiều gây ảnh hưởng tới sức khỏe Khi chạy xe máy khơng có tính an tồn ô tô nên gặp tai nạn người xe máy chịu ảnh hưởng nhiều Xe hai bánh tự cân giúp người sử dụng cảm thấy thoải mái xe hơi, mà giúp họ bảo vệ an tồn khơng bị ngã xe đâm vào chướng ngại vật Với lý trên, chúng em định chọn đề làm đề tài nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu Sau thực hiê ̣n xong đề tài phải đa ̣t đươ ̣c các mu ̣c tiêu sau: - Hiể u đươ ̣c nguyên lý cân quay hồi chuyển - Tính toán thiế t kế xe hai bánh tự cân - Chế ta ̣o mơ hình xe hai bánh tự cân Nhiệm vụ đề tài Để đa ̣t mục tiêu chúng em đặc nhiệm vụ sau: - Tìm hiể u khảo sát tài liê ̣u về xe hai bánh tự cân nước - Tính toán thiế t kế xe hai bánh tự cân bằng: + Tiń h toán lựa chọn motor quay bánh đà phù hợp + Lâ ̣p triǹ h điề u khiể n ̣ thố ng - Thi công lắ p ráp ̣ thố ng, thi công lắ p ráp chế ta ̣o mơ hình xe hai bánh tự cân bằng: - Kiể m tra vận hành xe hai bánh tự cân Đối tượng nghiên cứu Đặc tính cân hai bánh, xe hai bánh cân động Phạm vi nghiên cứu - Chưa tích hợp hệ thống an thống an toàn hệ thống làm mát xe - Sử dụng công nghê ̣ vi điề u khiể n Arduino - Xe hai bánh tự cân ngừng lại mức độ mơ hình xe dành cho người - Xe di chuyển địa hình phẳng - Bản thiết kế khí chưa hoàn thiện thời gian ngắn chi phí thấp Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn, quy mô phạm vi áp dụng  Ý nghĩa nghiên cứu: Nế u thực hiê ̣n chế ta ̣o sản phẩ m thành công thì đề tài nhóm em nghiên cứu sẽ ma ̣ng la ̣i ý nghiã cho hệ thống giao thông Việt Nam giới lựa chọn tối ưu cho phương tiện cá nhân, đem tố i ưu hóa với giá tri ̣sản phẩ m tić h hợp thêm mô ̣t vài tính khác cho hệ thống để nâng cao tính an tồn thoải mái cho người xe  Ý nghĩa lý luận: Đây là tài liệu nghiên cứu khoa ho ̣c của nhóm, có thể tham khảo nhanh, dễ hiểu, thiết thực cho bạn sinh viên, người quan tâm đề tài  Ý nghĩa thực tiễn: Đây là mô ̣t đề tài tiêu biể u để cho các ba ̣n sinh viên Viê ̣n Kỹ Thuâ ̣t Hutech cũng các ba ̣n sinh viên khóa sau, thấ y đươ ̣c và năm rõ về những ý ngiã thực tế của ngành mình cho ̣n cũng các ba ̣n bồ i đắp đươ ̣c kiế n thức mình cầ n những năm ho ̣c tiế p theo để đủ kiế n thức cho đế n ngày các ba ̣n thực hiê ̣n đồ án tố t nghiê ̣p Song song đó còn cho thấ y viê ̣c phải quan tâm đế n công nghê ̣ về mo ̣i mă ̣t đời số ng chúng ta, là mô ̣t kỹ sư thì chúng ta phải chú tro ̣ng đế n thực tiể n điề u mà xã hô ̣i môi trường số ng ̀ h cầ n, nắm bắ t mo ̣i mă ̣t và phát triể n tố t nhấ t để góp phầ n giúp đấ t nước mô ̣t ngày càng phát triể n PHẦN 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Đại cương vật rắn 1.1.1 Chuyển động vật rắn Vật rắn hệ chất điểm, khoảng cách chất điểm ln ln khơng đổi Chuyển động vật rắn nói chung phức tạp, người ta chứng minh rằng, chuyển động vật rắn quy hai chuyển động chuyển động tịnh tiến chuyển động quay 1.1.1.1 Chuyển động tịnh tiến Khi vật rắn chuyển động tịnh tiến, chất điểm chuyển động theo quỹ đạo giống Tại thời điểm, chất điểm vật rắn tịnh tiến có vectơ vận tốc vectơ gia tốc Giả thiết 𝑎⃗ vectơ gia tốc chung chất điểm 𝑀1, 𝑀2, 𝑀3,…, M𝑖, … vật rắn, chất điểm có khối lượng 𝑚1, 𝑚2, 𝑚3, … , 𝑚𝑖, … chịu ngoại lực tác dụng 𝐹 1, 𝐹 2,𝐹 3, …, 𝐹 i, … Theo định luật II Niutơn ta có: 𝑚1 𝑎⃗ = 𝐹 𝑚2 𝑎⃗ = 𝐹 ……… 𝑚𝑖 𝑎⃗ = 𝐹 (1) Các phương trình chứng tỏ ngoại lực tác dụng lên vật rắn 𝐹 1, 𝐹 2, 𝐹 3, … 𝐹 i… song song chiều Đó điều kiện cần để vật chuyển động tịnh tiến Cộng phương trình (1) vế với vế ta được: (∑ 𝑚𝑖 ) 𝑎⃗ = ∑ ⃗⃗⃗ 𝐹𝑖 𝑖 𝑖 (2) Đó phương trình chuyển động vật rắn tịnh tiến Nó giống phương trình chuyển động chất điểm có khối lượng khối lượng tổng cộng vật rắn chịu tác dụng lực tổng ngoại lực tác dụng lên vật rắn.Dễ dàng thấy rằng, phương trình chuyển động khối tâm vật rắn Như vậy, muốn khảo sát chuyển động tịnh tiến vật rắn, ta xét chuyển động khối tâm 2.1.1.2 Chuyển động quay Khi vật rắn chuyển động quay xung quanh đường thẳng cố định ∆ (gọi trục quay) thì: Mọi điểm vật rắn vạch vịng trịn có trục ∆ (những vịng trịn mà mặt phẳng vng góc với ∆ có tâm nằm ∆) Trong khoảng thời gian, điểm vật rắn quay góc 𝜃 Tại thời điểm, điểm vật rắn có vận tốc 𝑑𝜃 Hình 1: Chuyển đông vật rắn quay xung quanh trục  Góc   t gia tốc góc     2  t t Tại thời điểm, vectơ vận tốc tiếp tuyến vectơ gia tốc tiếp tuyến chất điểm vật rắn cách trục quay khoảng 𝑟 xác định hệ thức: ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ); (𝑟 =𝑂𝑀 ⃗ ∧ 𝑟] 𝑣 = [𝜔 𝑎⃗⃗𝑡 = [𝛾 ∧ 𝑟] (3) 1.1.2 Momen động lượng hệ Một hệ chất điểm 𝑀1, 𝑀2, 𝑀3, … , 𝑀𝑖, …, có khối lượng 𝑚1 , 𝑚2 , 𝑚3 , … , 𝑚𝑖 , … chuyển động với vận tốc 𝑣 1, 𝑣 2, 𝑣 3, … , 𝑣 i, … hệ quy chiếu gốc 𝑂 cố định Momen động lượng hệ 𝑂 định nghĩa bởi: ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ 𝑖 ∧ m𝑣𝑖]=∑𝑖[𝑟i ∧ m𝑣𝑖] 𝐿⃗ = ∑𝑖 𝐿⃗i=∑𝑖[𝑂𝑀 (4) 2.1.2.1 Định lý momen động lượng hệ Đối với chất điểm (𝑚𝑖, 𝑟𝑖) hệ, áp dụng định lý momen động lượng ta được: ⃗𝑖 𝑑𝐿 𝑑𝑡 =𝑀/0(𝐹 𝑖) Với 𝑀/0(𝐹 𝑖) tổng momen gốc lực tác dụng lên chất điểm 𝑚𝑖 Cộng phương trình theo 𝑖 ta được: ∑𝑖 ⃗𝑖 𝑑𝐿 𝑑𝑡 =∑𝑖 𝑀/0(𝐹 𝑖) Vế đầu: ∑𝑖 ⃗𝑖 𝑑𝐿 𝑑𝑡 𝑑 ⃗ 𝑑𝐿 𝑑𝑡 𝑑𝑡 = ∑𝑖 ⃗⃗⃗ 𝐿𝑖 = Là đạo hàm theo thời gian tổng momen động lượng hệ Vế thứ hai biểu thị tổng momen gốc 𝑂 lực tác dụng lên chất điểm hệ Các lực tác dụng lên chất điểm hệ bao gồm ngoại lực tác dụng nội lực tương tác chất điểm hệ Chú ý nội lực tương tác chất điểm hệ đôi đối (cùng phương ngược chiều, cường độ) tổng momen 𝑂 lực Vậy vế thứ hai phương trình cịn tổng momen 𝑂 ngoại lực tác dụng lên hệ Kết ta công thức sau: ⃗𝑖 𝑑𝐿 𝑑𝑡 ⃗⃗⃗ )=𝑀 ⃗⃗⃗⃗ =𝑀/0(𝐹𝑖 (5) Định lý: Đạo hàm theo thời gian momen động lượng hệ tổng momen ngoại lực tác dụng lên hệ (đối với điểm gốc 𝑂 cố định bất kì) Chú ý quan trọng: Trong định lý trên, ta phải tính momen động lượng hệ điểm 𝑂 cố định Người ta chứng minh định lý ta thay 𝑂 khối tâm 𝐺 hệ (mặc dù lúc xét, 𝐺 chuyển động) 66 Hình 48: Gía cố định mô tơ với thân xe sau thi công Giá dùng để nối động DC quay bánh đà khung xe đảm bảo cho bánh đà giao động tự qua lại dọc theo trục - Cơ cấu lái HCS ( thi công in 3D chi tiết) Hình 49: Thi cơng cấu lái HCS (sản phẩm in 3D) sau in + Từ bánh xe ban đầu: Đường kính D=200mm 67 Hình 50: Bánh xe ban đầu - Tiện bỏ trục bánh xe, sau gắn cấu lái HCS vào Hinh 51: Cơ cấu lái HCS (sản phẩm in 3D) sau gắn vào bánh xe - Hệ thống phanh tan trống (bánh xe sau) 68 Hình 52: Hệ thống phanh tan trống sau hoàn thiện Bước 3: Sơn xe - Sơn khung xe Hinh 53: Khung xe sau sơn Giai đoạn sơn xe không khiến cho xe trông bắt mắt mà cịn giúp xe chống việc bị ăn mịn oxy hóa cho xe Bước 4: Tiến hành lắp đèn điện thiệt bị điều khiển điện – điện tử cho xe 69 Hình 54: Lắp đèn điện thiệt bị điều khiển điện – điện tử cho xe Ở bước ta tiến hành lắp lên mơ hình mơ mục 3.6 (trang 101) lên xe Giai đoạn giai đoạn quan trọng trình lắp lên ta thực nghiệm lại quy trình hoạt động mạch điều khiển điều chỉnh code cho hợp lý Để xe giữ thăng ổn định Bước 5: Lắp ráp hồn thiện xe 70 Hình 55: Mơ hình xe hồn thiện BẢNG 3.2: Bảng thông số kỹ thuật xe hai bánh tự cân Các thông số kỹ thuật xe Số liệu Chiều dài sở (mm) 1310 Chiều rộng sở (mm) 500 Khoảng sáng gầm xe (mm) 100 Bán kính vịng quay tối thiểu (m) 2,6 Trọng lượng khơng tải (kg) 30 Trọng lượng ( kg ) Loại motor bánh xe Loại nhiên liệu Tốc độ tối đa xe 31 Động điện AC ( 24 V) Điện nguồn acquy 30 km/h 71 Hệ thống lái Phanh sau Đèn pha Đèn cốt Đèn xi nhan Cụm đèn sau Đèn báo phanh HCS (HUB- CENTER STEERING) Phanh tang trống Led Led Led Led Led +So với phần tính tốn chúng em mơ hình sau hồn thiện khơng tránh khỏi sai sót so với dự kiến tính tốn ban đầu mà lý phần chọn mua motor chi phí cịn hạn chế nên chúng em khơng thể mua motor có công suất tốc độ quay đưa ban đầu BẢNG 3.3: Thơng số kỹ thuật so sánh khác dự kiến kết đạt Các thông số Dự kiến ban kỹ thuật đầu xe Chiều dài sở 1300 (mm) Kết đạt Đánh giá ( %) Chú thích 1310 0,76 (Tăng) Vì gia cơng tay q trình đánh dấu, cắt, hàn có sai xót Chiều rộng sở (mm) Vận tốc tối đa (km/h) 500 500 35 30 14,3 (Giảm) Khoảng sáng gầm xe ( mm ) Trọng lượng ( kg ) Tốc độ motor quay bánh đà ( vòng/ phút ) 100 100 30 31,5 10000 7560 ( Tăng ) 24,4 ( Giảm ) 3,4 3,5 Khối lượng bánh đà ( kg ) ( Tăng ) Do điều kiện không lý tưởng khối lượng tổng thay đổi Do có gắn thêm vật liệu ngồi dự đốn Khó khăn việc mua motor với thơng số kỹ thuật ( giá thành cao, motor có kích thước lớn ) Sai sót gia cơng Đề tài xe hai bánh tự cân có ưu điểm nhược điểm sau: Ưu điểm: - Ta ̣o phương tiện cá nhân sản phẩm sáng tạo mức độ sinh viên - Vi xử lý tốc độ xử lý nhanh, đáp ứng nhu cầu sử dụng - Phát tiển thêm hai hệ thống hệ thống chiếu sáng hệ thống lái 72 - Chi phí đầ u tư thấ p Nhược điểm: - Vẫn còn mô ̣t số lỗi phát sinh quá trình hoa ̣t đô ̣ng - Với chi phí sinh viên, nên chưa động có tốc độ quay bánh đà lớn sản phảm chưa hoàn thiện - Hệ thống lái vật liệu nhựa in 3D, chi phí có hạn nên chưa CNC chi tiết hệ thống lái - Thiết kế mơ hình cịn đơn giản - Chưa tối ưu hóa ứng dụng 73 PHẦN 4: KẾT LUẬN - ĐỀ NGHỊ 4.1 Kế t luâ ̣n đề tài - Đã hiểu nguyên lý cân quay hồi chuyển - Đã tiń h toán thiế t kế xe hai bánh tự cân - Đã chế ta ̣o mơ hình xe hai bánh tự cân - Đã tiến hành thực nghiệm đánh giá xe với kết bảng 3.5 mục 3.6 4.2 Hướng phát triể n Với đề tài này, chi phí cịn hạn chế thời gian có hạn nên mô hình sản phẩ m “xe hai bánh tự cân bằng” cịn chưa hồn thiện mong muốn tương lai đạt vấn đề sau: - Tương lai hồn thiện xe tích hợp thêm hệ thống an toàn hệ thống điều hịa - Thay đổi motor bánh đà có tốc độ cao chạy lâu - Làm nhẹ bớt trọng lượng xe, cách chuyển đổi khung sắt sang khung sợi cacbon vật liệu tổng hợp - Thay đổi motor bánh xe chạy với tốc độ cao 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO Giáo trình “Vật Lý Cơ” Trường ĐH cơng nghệ Thành Phố HCM (HUTECH)( Bài 2: động lực học chất điểm – 3: động học động lực học vật rắn( từ trang 57-126)) Lương Duyên Bình (2005), Giáo trình Vật lý đại cương, Tập một, NXB Giáo dục Giáo trình “Lý thuyết tơ” Trường ĐH cơng nghệ Thành Phố HCM (HUTECH).(bài 2,bài – từ trang 12-46) Nguyễn Hữu Mình (1991), Cơ học, NXB Giáo dục Giáo Trình “Cơ Học Lý Thuyết” Trường ĐH cơng nghệ Thành Phố HCM ( HUTECH) Eugene NXB Butikov, Precession and nutationof a gyroscope, St Petersburg State University Walter Benenson (2002), Handbook Physics, NXB Spinger www.ifmo.ru/butikov/Gyroscope.pdf www.3bscientific.es/product-manual/U52006.pdf 10 http://www.arduino.cc/ 11 http://arduino.vn/ 12 http://www.nguyeninvestment.com/luan-van/luan-van-xe-hai-banh-tu-canbang-di-chuyen-tren-dia-hinh-phang-8000/ 13 https://www.youtube.com/watch?v=wF5ogMeQ6oo 14 http://category.alldatasheet.com/index.jsp?Searchword=BTS%207960 75 PHỤ LỤC Mã nguồn chương trình chính: a) Mã nguồn cảm biến gia tốc: #include int motorA=12; int motorB =10; //Declaring some global variables int gyro_x, gyro_y, gyro_z; long gyro_x_cal, gyro_y_cal, gyro_z_cal; boolean set_gyro_angles; long acc_x, acc_y, acc_z, acc_total_vector; float angle_roll_acc, angle_pitch_acc; float angle_pitch, angle_roll; int angle_pitch_buffer, angle_roll_buffer; float angle_pitch_output, angle_roll_output; long loop_timer; int temp; void setup() { Wire.begin(); setup_mpu_6050_registers(); for (int cal_int = 0; cal_int < 1000 ; cal_int ++){ read_mpu_6050_data(); gyro_x_cal += gyro_x; gyro_y_cal += gyro_y; gyro_z_cal += gyro_z; 76 delay(3); } // divide by 1000 to get avarage offset gyro_x_cal /= 1000; gyro_z_cal /= 1000; Serial.begin(115200); loop_timer = micros(); pinMode(motorA, OUTPUT) pinMode(motorB, OUTPUT); } void loop(){ analogWrite(motorA, 0); digitalWrite(motorB,LOW); read_mpu_6050_data(); gyro_x -= gyro_x_cal; gyro_y -= gyro_y_cal; gyro_z -= gyro_z_cal; angle_pitch += gyro_x * 0.000611; angle_roll += gyro_y * 0.000611; angle_pitch += angle_roll * sin(gyro_z * 0.000001066); angle_roll -= angle_pitch * sin(gyro_z * 0.000001066); acc_total_vector = sqrt((acc_x*acc_x)+(acc_y*acc_y)+(acc_z*acc_z)); angle_pitch_acc = asin((float)acc_y/acc_total_vector)* 57.296; angle_roll_acc = asin((float)acc_x/acc_total_vector)* -57.296; angle_pitch_acc -= 0.0; angle_roll_acc -= 0.0; if(set_gyro_angles){ angle_pitch = angle_pitch * 0.9996 + angle_pitch_acc * 0.0004; angle_roll = angle_roll * 0.9996 + angle_roll_acc * 0.0004; } else{ angle_pitch = angle_pitch_acc; angle_roll = angle_roll_acc; set_gyro_angles = true; } angle_pitch_output = angle_pitch_output * 0.9 + angle_pitch * 0.1; angle_roll_output = angle_roll_output * 0.9 + angle_roll * 0.1; Serial.print(" | Angle = "); Serial.println(angle_pitch_output); if((angle_pitch_output>1)) { analogWrite(motorA,0); analogWrite(motorB,127); } if((angle_pitch_output>10)) { analogWrite(motorB,255);} if((angle_pitch_output