Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống an toàn trên xe điện cá nhân 4 bánh

IH C N NG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN PHƢỚC PHÚ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG AN TOÀN TRÊN XE ĐIỆN CÁ NHÂN BÁNH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2018 IH C N NG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN PHƢỚC PHÚ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG AN TOÀN TRÊN XE ĐIỆN CÁ NHÂN BÁNH Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực Mã số: 85.20.116 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS Phạm Quốc Thái Đà Nẵng - Năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Mọi kết nghiên cứu ý tưởng tác giả khác có trích dẫn đầy đủ Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Luận văn chưa bảo vệ hội đồng bảo vệ luận văn thạc sĩ toàn quốc nước chưa công bố phương tiên thơng tin Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm mà tơi cam đoan Tác giả Trần Phƣớc Phú MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục đích nghiên cứu Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu 4.1 Phƣơng pháp thu thập thông tin 4.2 Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết 4.3 Phƣơng pháp phân tích đánh giá 4.4 Tham khảo ý kiến giảng viên hƣớng dẫn Ý nghĩa khoa học tính thực tiễn đề tài Dự kiến kết đạt đƣợc Cấu trúc luận văn CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Xu hƣớng sử dụng nhiên liệu cho phƣơng tiện giao thơng 1.1.1 Hồn thiện động diesel 1.1.2 Ơtơ chạy loại nhiên liệu lỏng thay 1.1.3 Ơ tơ chạy khí thiên nhiên 1.1.4 Ơtơ chạy khí dầu mỏ hóa lỏng LPG 1.1.5 Ô tô chạy điện 1.1.6 Ơ tơ chạy pin nhiên liệu 1.1.7 Ơtơ hybrid 1.2 Tổng quan xe điện cá nhân 1.2.1 Giới thiệu chung 1.2.2 Cấu hình số loại xe điện cá nhân 1.2.2.1 Cấu hình tô điện 1.2.2.2 Cấu hình số xe điện cỡ nhỏ 10 1.3 Nhu cầu sử dụng phƣơng tiện giao thông cá nhân: 13 1.3.1 Phƣơng tiện cá nhân 13 1.3.2 Các phƣơng tiện công cộng 13 1.3.3 Các phƣơng tiện dùng lĩnh vực vui chơi giải trí, thể thao du lịch 13 1.3.4 Các loại phƣơng tiện phục vụ y tế 13 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 14 2.1 Phân tích động lực học xe điện cá nhân 14 2.1.1 Cơ sở lý thuyết 14 2.1.2 Trƣờng hợp không tải 15 2.1.3 Trƣờng hợp đầy tải 18 2.2 Lý thuyết không gian riêng 19 2.2.1 Khái niệm không gian cá nhân 19 2.2.2 Nguyên lí TOF sở việc đo khoảng cách cảm biến siêu âm 21 2.3 Mơ hình hóa mơ hệ thống an tồn cho xe điện cá nhân dựa vào không gian riêng: 22 2.3.1 Hệ thống hỗ trợ xe điện cá nhân 22 2.3.2 Phân tích hành vi xe điện cá nhân vận hành khu vực ngƣời bộ23 2.3.3 iều kiện mô 27 2.3.4 Chỉ tiêu đánh giá 29 2.3.5 Kết bàn luận 30 2.3.5.1 Xe điện ngƣời 30 2.3.5.2 Xe điện dòng ngƣời 32 Kết luận chƣơng 35 CHƢƠNG PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG AN TO N CHO XE IỆN CÁ NHÂN 36 3.1 Cấu trúc hệ thống an toàn xe điện cá nhân 36 3.1.1 Sơ đồ khối hệ thống an toàn 36 3.1.2 Chiến thuật điều khiển hệ thống an toàn 37 3.1.3 Thiết kế mạch điều khiển hệ thống an toàn 38 3.2 Cảm biến 40 3.2.1 Cảm biến góc lái 40 3.2.2 Cảm biến tay ga 41 3.2.3 Cảm biến tốc độ (Encoder) 42 3.2.4 Cảm biến siêu âm 44 3.3 Cơ cấu chấp hành 46 3.4 Bộ điều khiển trung tâm 49 3.5 Thuật toán điều khiển 57 3.6 Chƣơng trình điều khiển 58 3.6.1 Chƣơng trình nhận tín hiệu từ cảm biến khoảng cách 62 3.6.2 Chƣơng trình nhận tín hiệu từ cảm biến góc lái 64 3.6.3 Chƣơng trình nhận tín hiệu từ tay ga 65 3.6.4 Chƣơng trình nhận tín hiệu từ cảm biến tốc độ 65 CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ 68 Kết 68 Hƣớng phát triển đề tài 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 DANH MỤC HÌNH Số hiệu hình Hình 1.1 Hình 1.2 Hình 1.3 Hình 1.4 Hình 1.5 Hình 1.6 Hình 1.7 Hình 2.1 Hình 2.2 Hình 2.3 Hình 2.4 Hình 2.5 Hình 2.6 Hình 2.7 Hình 2.8 Hình 2.9 Hình 2.10 Hình 2.11 Hình 2.12 Hình 2.14 Hình 2.15 Hình 2.16 Hình 2.17 Hình 2.18 Hình 2.19 Hình 2.20 Hình 2.21 Hình 2.22 Tên hình Ơ tơ chạy nhiên liệu sinh học Ơ tơ chạy điện Ơ tơ Hybrid Ơ tơ điện cổ điển Ơ tô đại Phƣơng án thiết kế xe điện cân bánh Một số xe điện cá nhân Sơ đồ phân bố trọng lƣợng xe điện Sơ đồ phân bố tải trọng xe điện không tải Sơ đồ phân bố tải trọng xe điện đầy tải Minh họa không gian cá nhân Không gian riêng phía trƣớc ngƣời Khơng gian riêng phía bên ngƣời Sơ đồ tính khoảng cách tới vật cản Nguyên lý hệ thống hỗ trợ an tồn cho xe điện Mơ hình tính toán xe điện khu vực ngƣời Lƣu đồ thuật toán hành vi xe điện khơng có hệ thống hỗ trợ Hành vi xe điện khơng có hệ thống hỗ trợ Lƣu đồ thuật tốn hành vi xe điện khơng có Sơ đồ bố trí mơ Quan hệ khơng gian riêng phía trƣớc ngƣời tốc độ xe điện Quan hệ không gian riêng phía trƣớc ngƣời tốc độ xe điện Minh họa tỷ lệ chiếm chỗ Hành vi xe điện khơng có hệ thống hỗ trợ Hành vi xe điện khơng có hệ thống hỗ trợ Quan hệ tỷ lệ chiếm chỗ thời gian Tỷ lệ chiếm chỗ theo độ rộng đƣờng Thời gian băng qua theo độ rộng đƣờng Trang 10 11 12 16 17 18 20 20 21 22 23 23 25 25 26 27 28 29 29 30 30 31 31 32 Hình 2.23 Hình 2.24 Hình 2.25 Hình 3.1 Hình 3.2 Hình 3.3 Hình 3.4 Hình 3.5 Hình 3.6 Hình 3.7 Hình 3.8 Hình 3.9 Hình 3.10 Hình 3.11 Hình 3.12 Hình 3.13 Hình 3.14 Hình 3.15 Hình 3.16 Hình 3.17 Hình 3.18 Hình 3.19 Hình 3.20 Hình 3.21 Hình 3.22 Hình 3.23 Hình 3.24 Hình 3.25 Hành vi xe điện khơng có có hệ thống hỗ trợ Tỷ lệ chiếm chỗ trung bình theo mật độ ngƣời Thời gian băng qua theo độ ngƣời Sơ đồ khối hệ thống an toàn thị mối quan hệ chu kỳ cảnh báo phần trăm chiễm chỗ Sự thay đổi Kps góc quay 30 độ Sơ đồ mạch điều khiển hệ thống an toàn Hệ thống điện lắp đặt xe Chiết áp Sơ đồ cấu tạo chiết áp Ký hiệu chiết áp sơ đồ nguyên lý Tay ga sử dụng cảm biển Hakk Hall IC Sơ đồ nguyên lý hoạt động cảm biến tốc độ ộ lệch xung kênh A B Cảm biến siêu âm HY-SRF05 Giản đồ thời gian Lực tác dụng lên xe điện chuyển động tăng tốc dốc ộng MY6812 Linh kiện Arduino Mega 2560 Sơ đồ chân Arduino Mega 2560 Module MDL-BDC24 Kích thƣớc Module MDL-BDC24 Các cổng kết nối Module điều khiển trung tâm Cổng nhận tín hiệu PWM từ điều khiển trung tâm Mạch cầu H Tín hiệu điều khiển PWM Lƣu đồ thuật toán hệ thống điều khiển 33 34 34 36 37 38 39 39 40 40 41 41 42 42 43 44 45 47 49 50 51 53 54 55 55 56 56 57 DANH MỤC BẢNG Số hiệu bảng Bảng 2.1 Bảng 2.2 Bảng 2.3 Bảng 3.1 Bảng 3.2 Bảng 3.3 Bảng 3.4 Bảng 3.5 Tên bảng Phân bố lƣợng xe điện không tải Phân bố trọng lƣợng xe điện đầy tải Thông số mô ngƣời xe điện Thông số kỹ thuật chiết áp Thông số kỹ thuật cảm biến siêu âm HY-SRF05 Các thông số động Các thông số Arduino Mega2560 Thông số kỹ thuật Trang 17 19 28 40 44 49 49 54 TÓM TẮT Tên đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo hệ thống an toàn xe điện cá nhân bánh” Học viên: Trần Phƣớc Phú Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực Mã số: 85.20.116 Khóa: K32 Trƣờng ại học Bách khoa ại học Nẵng Tóm tắt: Trong năm qua, xe điện cá nhân ngày đƣợc quan tâm toàn giới có nhiều ƣu điểm nhƣ: thân thiện mơi trƣờng nhỏ gọn tiện lợi để sử dụng khu vực ngƣời bộ, sân bay, trƣờng học Tuy nhiên, cần phải đảm bảo tính an tồn xe điện đƣợc sử dụng khu vực ngƣời Nghiên cứu phát triển hệ thống hỗ trợ an toàn cho xe điện cá nhân Hệ thống hỗ trợ an tồn xác định đƣợc vùng an tồn ngƣời xung quanh báo cho ngƣời điều khiển xe biết, giúp vận hành xe cách an toàn thoải mái khu vực ngƣời Kết mô thử nghiệm cho thấy hiệu hệ thống an toàn đƣợc xác nhận rõ ràng xe điện vận hành ổn định với tốc độ tối đa lên đến km/h tải trọng lên đến 150 kg Từ khóa: Xe điện cá nhân, khơng gian riêng, ngƣời bộ, hệ thống giao thông ABSTRACT Abstract: In recent year, personal mobility vehicles (PMVs) have increasingly attracted research interest as new individual transportation vehicles that are environmentally-friendly, compact, and convenient to use in pedestrian areas such as sidewalks, campus and airport areas However, it is important to ensure the safety and comfort of pedestrians sharing space with PMVs This study proposed an assistance system for the vehicle that supports the driver in recognizing the psychological strain of surrounding pedestrians and informing the driver about the invasion of the PMV using a vibrator and indicator Furthermore, a simulation model considering the interaction between a PMV and pedestrianswas investigated Simulation results revealed that the invasion of PS increases with increasing pedestrian density The experimental results revealed that the vehicle was operated stably at the maximum speed of km/h and the maximum load of 150 kg, and the effectiveness of the assistance system was clearly confirmed Key word: Personal electric vehicle, personal space, pedestrian, transportation system DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu/ chữ viết tắt G [KG] Fk [N] Gk [KG] Gct [KG] Gcs [KG] Gm [KG] Trọng lƣợng toàn xe Lực kéo tiếp tuyến bánh xe chủ động Trọng lƣợng khung xƣơng Trọng lƣợng trục trƣớc bánh xe Trọng lƣợng bánh xe sau Trọng lƣợng động Gat [KG] Trọng lƣợng acquy trƣớc Gas Gl Ff1 Ff2 Fw Fi Fj Z1, Z2 L a, b hg inner [KG] [KG] [N] [N] [N] [N] [N] [N] [m] [m] [m] [v/ph] Trọng lƣợng acquy sau Trọng lƣợng tay lái Lực cản lăn bánh xe chủ động Lực cản lăn bánh xe bị động Lực cản khơng khí Lực cản lên dốc Lực qn tính tơ chuyển động Phản lực tiếp tuyến mặt đƣờng tác dụng lên bánh xe Chiều dài sở Khoảng cách từ tâm đến trục bánh xe trƣớc bánh xe sau Tọa độ trọng tâm xe theo chiều cao Tốc độ quay bánh xe phía outter [v/ph] Diễn giải Tốc độ quay bánh xe phía ngồi  [v/ph] ộ chênh lệch tốc độ quay vòng hai bánh xe 0 [v/ph] ộ chênh lệch tốc độ quay vòng ban đầu bánh xe 0 K0 Kps d v t VH kH Ic B Sinβ [v/ph] [-] [-] [m] [m/s] [s] [V] [m3/c] [A] [Wb] [-] Tốc độ ban đầu bánh xe Hệ số góc quay ban đầu Hệ só góc quay có hệ thống hỗ trợ lái Quãng đƣờng di chuyển sóng âm Vận tốc sóng âm khơng khí Qng thời gian truyền sóng iện áp Hall Hằng số Hall Dòng cấp vào Mật độ từ thơng Góc lệch mật độ từ thơng bề mặt cảm biến 56 Hình 3.23 Mạch cầu H Khi muốn động chạy chiều kim đồng hồ khóa Q1 Q4 đồng thời mở dịng điện từ +VM  Q1  + Motor  -Motor  Q4  mass ể động chạy ngƣợc chiều kim đồng hồ khóa Q3 Q2 đồng thời mở dòng điện từ +VM  Q3  -Motor  + Motor  Q2  mass Dạng tín hiệu PWM đƣợc gửi đến để điều khiển tốc độ động đƣợc thể (Hình 3.21) Hình 3.24 Tín hiệu điều khiển PWM Nếu độ rơng xung từ [0.6ms-1.5ms) động quay theo chiều kim đồng hồ Nếu độ rộng xung 1.5ms động dừng lại 57 Nếu độ rộng xung từ (1.5ms-2.4ms) động quay ngược chiều kim đồng hồ ể điều khiển đƣợc động nhiệm vụ ta phải điều chế xung có độ rộng tƣơng ứng nhƣ Vấn đề đƣợc làm rõ phần thuật toán điều khiển động 3.5 THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN Hình 3.25 Lƣu đồ thuật tốn hệ thống điều khiển Các tín hiệu tay ga (sp), góc lái (), cảm biến tốc độ liên tục đƣợc đƣa vào điều khiển trung tâm Bộ điều khiển tính tốn xử lí để đƣa lệnh tƣơng ứng cho cấu chấp hành Ta lấy chiều dƣơng cảm biến chiều ngƣợc kim đồng hồ, có nghĩa góc  dƣơng quay trái, góc  âm quay phải Khi góc  từ cảm biến góc lái gửi -100 tiến rẽ trái, ngƣợc lại sp-10 lúc tay lái quay phía bên phải, tiếp tục kiểm tra điều kiện sp>0 tiến quay phải, sp