Nghiên cứu và phát triển hệ thống điều khiển trên xe điện cá nhân

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ GIAO THƠNG NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRÊN XE ĐIỆN CÁ NHÂN Sinh viên thực hiện: NGUYỄN XUÂN ĐẠI Đà Nẵng – Năm 2018 TÓM TẮT Tên đề tài: Nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển xe điện cá nhân Nhóm sinh viên thực Tên sinh viên Nguyễn Văn Hải Lý Quang Việt Lê Hữu Hòa Số thẻ sinh viên 103130024 103130099 103130029 Lớp 13C4A 13C4A 13C4A Cấu trúc đồ án tốt nghiệp gồm chương sau: Chương 1: TỔNG QUAN Tổng quan vấn đề lượng, xu hướng sử dụng nhiên liệu cho phương tiện giao thông Tổng quan xe điện nhân nhu cầu sử dụng phương tiện giao thông nhân Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Lý thuyết điều khiển, giải thích vùng khơng gian cá nhân Lý thuyết việc tính tốn khoảng cách cảm biến siêu âm Lý thuyết lập trình Phần mềm sử dụng để lập trình Lý thuyết tính tốn khung xe, tính tốn độ ổn định xe, tính tốn truyền động cho xe Chương 3: THIẾT KẾ TÍNH TỐN XE ĐIỆN CÁ NHÂN Tính tốn thiết kế khung vỏ, truyền động xe Thiết kế hệ thống điện điều khiển xe Thiết kế phát triển hệ thống an tồn xe Chương 4: LƯU ĐỒ THUẬT TỐN VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN- ĐIỆN TỬ TRÊN XE Viết lưu đồ giải thích lưu đồ Lập trình cho hệ thống điều khiển, hệ thống an tồn xe với phần mềm lập trình Arduino IDE ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ GIAO THƠNG CỘNG HỊA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Văn Hải Số thẻ sinh viên: 103130024 Lớp: 13C4A Khoa: Cơ Khí Giao Thơng Ngành: Kỹ thuật khí Tên đề tài đồ án: Nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển xe điện cá nhân Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ kết thực Các số liệu liệu ban đầu: Theo tài liệu từ nhà chế tạo động điện, thiết bị điện tử Nội dung phần thuyết minh tính tốn: Chương 1: Tổng quan đề tài Chương 3: Thiết kế tính tốn xe điện cá nhân 3.1 Thiết kế khí cho xe điện cá nhân Các vẽ, đồ thị Tổng thể xe điện cá nhân (1A3) Khung xe (1A3) Moay lắp đĩa xích (1A3) Đĩa xích (1A3) Họ tên người hướng dẫn: Ngày giao nhiệm vụ đồ án: Ngày hoàn thành: TS Phạm Quốc Thái 29/01/2018 27/05/2018 Đà Nẵng, ngày tháng năm 2018 Trưởng Bộ mơn Người hướng dẫn Kỹ thuật Ơ tơ Máy động lực PGS.TS Dương Việt Dũng TS Phạm Quốc Thái LỜI NÓI ĐẦU VÀ CẢM ƠN Trong suốt khoảng thời gian làm đề tài tốt nghiệp, chúng em gặt hái nhiều kiến thức chuyên ngành kết hợp làm việc nhóm Lời chúng em xin cảm ơn đến Thầy TS Phạm Quốc Thái, thầy tận tình hướng dẫn, giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án tốt nghiệp xin gửi lời cảm ơn gửi đến Thầy Cô Khoa Cơ khí Giao thơng Cảm ơn động viên giúp đỡ tận tình từ gia đình bạn bè Chúng em phấn đấu nỗ lực để hoàn thành đồ án tốt nghiệp này, song thời gian kiến thức hạn chế nên nhiều thiếu sót mong q thầy bạn đọc đóng góp để đồ án hồn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn! i CAM ĐOAN Chúng em xin cam đoan đề tài riêng nhóm, đề tài khơng trùng lặp với đề tài đồ án tốt nghiệp trước Các thông tin, số liệu sử dụng tính tốn từ tài liệu có nguồn gốc rõ ràng, theo quy định Sinh viên thực Nhóm SV Xe điện cá nhân (PMVs) Nguyễn Văn Hải Lý Quang Việt Lê Hữu Hịa ii MỤC LỤC TĨM TẮT i LỜI NÓI ĐẦU VÀ CẢM ƠN i CAM ĐOAN ii MỤC LỤC iii DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT viii MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Mục đích ý nghĩa đề tài 1.2 Sự phát triển phương tiện giao thông sử dụng nhiên liệu giới Việt Nam 1.2.1 Hoàn thiện động diesel 1.2.2 Ơtơ chạy loại nhiên liệu lỏng thay 1.2.3 Ơtơ chạy khí thiên nhiên 1.2.4 Ơtơ chạy khí dầu mỏ hóa lỏng LPG 1.2.5 Ôtô chạy điện 1.2.6 Ơ tơ chạy pile nhiên liệu 1.2.7 Ơtơ hybrid .8 1.3 Tổng quan xe điện cá nhân .8 1.3.1 Giới thiệu chung 1.3.2 Cấu hình số loại xe điện cá nhân 1.3.2.1 Cấu hình tơ điện 1.3.2.2 Cấu hình số xe điện cỡ nhỏ 10 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 13 2.1 Lý thuyết điều khiển 13 2.1.1 Arduino 13 2.1.2 Lịch sử phát triển 13 2.1.3 Phần cứng .14 iii 2.1.4 Phần mềm 15 2.2 Cơ sở điều khiển hệ thống an toàn 16 2.2.1 Khái niệm không gian cá nhân .16 2.2.2 Nguyên lí TOF sở việc đo khoảng cách cảm biến siêu âm 16 Chương 3: THIẾT KẾ TÍNH TỐN XE ĐIỆN CÁ NHÂN 18 3.1 Thiết kế khí cho xe điện cá nhân 18 3.1.1 Phân tích lựa chọn phương án thiết kế 18 3.1.2 Thiết kế tổng thể xe điện cá nhân ba bánh 21 3.1.2.1 Thiết kế chung 21 3.1.2.2 Phân bố tải trọng xe điện .23 3.1.3 Tính chọn động điện ắc quy 28 3.1.3.1 Tính chọn động điện 28 3.1.3.2 Tính chọn ắc quy 31 3.1.4 Tính tốn thơng số động học xe điện 32 3.1.4.1 Xác định tỷ số truyền hệ thống truyền lực .32 3.1.4.2 Khả leo dốc ô tô độ dốc cực đại .35 3.1.4.3 Đồ thị cân lực kéo 35 3.1.5 Thiết kế chế tạo khung xe tay cầm cho xe điện cá nhân 37 3.2 Thiết kế hệ thống điều khiển .40 3.2.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển .40 3.2.2 Chiến thuật điều khiển 40 3.2.3 Thiết kế mạch điều khiển 41 3.2.3.1 Bộ điều khiển trung tâm 41 3.2.3.2 Mạch công suất 45 3.2.3.3 Cảm biến góc lái 49 3.2.3.4 Cảm biến tay ga 51 3.2.3.5 Cảm biến tốc độ (Encoder) 52 3.3 Thiết kế hệ thống an toàn 54 iv 3.3.1 Sơ đồ khối hệ thống an toàn 54 3.3.2 Chiến thuật điều khiển hệ thống an toàn 54 3.3.3 Thiết kế mạch điều khiển hệ thống an toàn 56 3.3.3.1 Cảm biến siêu âm 57 3.3.3.2 Màn hình hiển thị LCD 59 Chương 4: LƯU ĐỒ THUẬT TỐN VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN- ĐIỆN TỬ TRÊN XE 62 4.1 Tiếp nhận tín hiệu từ cảm biến 62 4.1.1 Chương trình nhận tín hiệu từ cảm biến khoảng cách 62 4.1.2 Chương trình nhận tín hiệu từ cảm biến góc lái 64 4.1.3 Chương trình nhận tín hiệu từ tay ga 64 4.1.4 Chương trình nhận tín hiệu từ cảm biến tốc độ 65 4.2 Hệ thống điều khiển 67 4.2.1 Lưu đồ thuật toán 67 4.2.2 Chương trình điều khiển .68 4.3 Hệ thống an toàn 72 4.3.1 Lưu đồ thuật toán 72 4.3.2 Chương trình cảnh báo hỗ trợ lái 73 KẾT LUẬN 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO 85 v DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ Bảng Thông số kỹ thuật xe điện thiết kế Bảng Phân bố trọng lượng xe điện không tải Bảng 3 Phân bố trọng lượng xe điện đầy tải Bảng Các thông số động Bảng Kết tính tốn lực kéo Bảng Thơng số Arduino Mega2560 Bảng Thông số kỹ thuật Bảng Thông số kĩ thuật chiết áp Bảng Thông số kĩ thuật cảm biến siêu âm HY-SRF05 Bảng 10 Thông số kỹ thuật Module I2C Bảng 11 Các chân LCD Hình 1 Ơ tơ chạy nhiên liệu sinh học Hình Ơ tơ chạy điện Hình Ơ tơ Hybrid Hình Ơ tơ điện cổ điển Hình Ơ tơ đại Hình Phương án thiết kế xe điện cân bánh Hình Một số xe điện cá nhân Hình Bo mạch Arduino Hình 2 Mơi trường lập trình Arduino(Arduino IDE) Hình Hình ảnh minh họa khơng gian cá nhân Hình Sơ đồ tính khoảng cách tới vật cản Hình Phương án thiết kế xe tự cân hai bánh Hình Phương án thiết kế xe điện cân bánh Hình 3 Phương án thiết kế xe điện cá nhân Hình Các hình chiếu xe điện cá nhân Hình Sơ đồ phân bố tải trọng xe điện khơng tải Hình Sơ đồ phân bố tải trọng xe điện đầy tải Hình Lực tác dụng lên xe điện chuyển động tăng tốc dốc Hình Động MY6812 Hình Ắc quy GLOBE WP12-12 Hình 10 Đồ thị cân lực kéo Hình 11 Vị trí lắp đặt phận lên xe cá nhân Hình 12 Khung xe vi Hình 13 Tay cầm cho xe điện cá nhân Hình 14 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển Hình 15 Sơ đồ mạch điều khiển Hình 16 Linh kiện Arduino Mega 2560 Hình 17 Sơ đồ chân Arduino Mega 2560 Hình 18 Module MDL-BDC24 Hình 19 Kích thước Module MDL-BDC24 Hình 20 Các cổng kết nối Module điều khiển Hình 3.21 Cổng nhận tín hiệu PWM từ điều khiển trung tâm Hình 3.22 Mạch cầu H Hình 3.23 Tín hiệu điều khiển PWM Hình 3.24 Chiết áp Hình 3.25 Sơ đồ cấu tạo chiết áp Hình 3.26 Kí hiệu chiết áp sơ đồ ngun lí Hình 3.27 Tay ga sử dụng cảm biến Hall Hình 3.28 Hall IC Hình 3.29 Sơ đồ ngun lí hoạt động cảm biến tốc độ Hình 3.30 Độ lệch xung kênh A B Hình 3.31 Sơ đồ khối hệ thống an tồn Hình 3.32 Đồ thị mối quan hệ chu kì cảnh báo phần trăm chiếm chỗ Hình 33 Hệ số K0 vị trí 30% tay ga Hình 34 Sự thay đổi Kps góc quay 30 độ Hình 3.35 Sơ đồ mạch điều khiển hệ thống an tồn Hình 3.36 Hệ thống điện lắp đặt xe Hình 3.37 Cảm biến siêu âm HY-SRF05 Hình 3.38 Giản đồ thời gian Hình 3.39 Hình dáng LCD Hình 3.40 LCD-I2C Hình Lưu đồ thuật tốn hệ thống điều khiển Hình Lưu đồ thuật tốn hệ thống an tồn vii Nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển xe điện cá nhân 91 if(sp>0) 92 { 93 OCR1A=(3000+sp*18)+abs(4*drive_angle); 94 OCR1B=(3000+sp*18)-abs(4*drive_angle) ; 95 } 96 } 97 else 98 { 99 forward(handleSpeed()); 100 } 101 102 } void ControlB(int drive_angle, int sp) 103 104 105 { if(drive_angle>=10) { 106 107 108 if(sp>0) { OCR1A=(3000-abs(sp)*18)+abs(4*drive_angle); 109 OCR1B=(3000-abs(sp)*18)-abs(4*drive_angle); 110 111 112 113 114 115 116 117 118 } } else if(drive_angle0) { OCR1A=(3000-abs(sp)*18)-abs(4*drive_angle); OCR1B=(3000-abs(sp)*18)+abs(4*drive_angle); } 119 120 121 122 123 124 } else { backward(handleSpeed()); } } Nhóm sinh viên thực hiện: PMVs // -Quay trái Hướng dẫn: TS Phạm Quốc Thái 71 Nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển xe điện cá nhân Giải thích chương trình: Dòng 1- 6: Khai báo chân điều khiển động cơ, chân tín hiệu cảm biến góc lái, cảm biến tay ga cơng tắc lùi xe Dịng 7- 11: Chạy chương trình motorInit, định nghĩa chân cơng tắc lùi chân INPUT_PULLUP Dịng 12 – 23: Chương trình Đọc trạng thái cơng tắc lùi Nếu cơng tắc lùi bật chương trình lùi (lùi-rẽ trái-rẽ phải) xe chạy, ngược lại chạy chương trình tiến(tiến-rẽ trái-rẽ phải) Dịng 24 – 35: Là hai chương trình để đọc tín hiệu từ cảm biến góc lái cảm biến tay ga Dịng 36 – 52: Khởi tạo Timer1 để tạo xung cho hai chân 11, 12 Dịng 53 – 71: Chương trình điều khiển motor bên trái bên phải Dòng 72 – 78: Hai chương trình điều khiển motor quay thuận quay nghịch Dòng 79 – 104: Chương trình điều khiển xe tiến-rẽ trái-rẽ phải Dịng 105 – 124: Chương trình điều khiển xe lùi-rẽ trái-rẽ phải 4.3 Hệ thống an toàn 4.3.1 Lưu đồ thuật tốn Hình 4.2 Lưu đồ thuật tốn hệ thống an tồn Nhóm sinh viên thực hiện: PMVs Hướng dẫn: TS Phạm Quốc Thái 72 Nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển xe điện cá nhân Hệ thống an toàn xe thiết kế để cảnh báo cho người điều khiển phương tiện biết khoảng cách đến người phía trước Ban đầu hệ thống cảnh báo thụ động (Báo cịi cảnh báo, mơ tơ rung cảnh báo) sau hệ thống hỗ trợ xe nhanh khỏi khu vực phía trước cách tăng góc quay xe tùy thuộc vào khoảng cách xe người Nếu xe tiến sâu vào vùng không gian cá nhân người phía trước tỉ lệ chiếm chỗ lớn có nghĩa khoảng cách xe người phía trước gần góc quay tăng lên để hỗ trợ người lái thoát nhanh khỏi vùng khơng gian người điều khiển bật chế độ an tồn 4.3.2 Chương trình cảnh báo hỗ trợ lái #include //Mở cổng giao tiếp I2C #include //Cảm biến siêu âm #include //Thư viện LCD LiquidCrystal_I2C lcd(0x3f,16,2); #define TRIG1 22 #define ECHO1 24 #define TRIG2 26 #define ECHO2 28 #define MAX_DISTANCE 350 10 NewPing Sonar1(TRIG1,ECHO1,MAX_DISTANCE); 11 NewPing Sonar2(TRIG2,ECHO2,MAX_DISTANCE); 12 int ButtonAT=38; //Nút nhấn chế độ an toàn 13 int ButtonL=40; //Nút nhấn để xe chạy lùi 14 int Motor=48; 15 int Buzz=46; 16 int LED=50; 17 boolean Motorstatus=0; 18 boolean LEDstatus=0; 19 boolean Buzzstatus=0; 20 unsigned long time1 = 0; 21 unsigned long time2 = 0; 22 unsigned long time3 = 0; 23 unsigned long time4 = 0; 24 unsigned long time5 = 0; 25 void setup() 26 { 27 pinMode(ButtonL, INPUT_PULLUP); Nhóm sinh viên thực hiện: PMVs Hướng dẫn: TS Phạm Quốc Thái 73 Nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển xe điện cá nhân 28 pinMode(ButtonAT, INPUT_PULLUP); 29 pinMode(LED, OUTPUT); //Định nghĩa chân LED chân 30 pinMode(Buzz, OUTPUT); 31 pinMode(Motor, OUTPUT); 32 } //Định nghĩa chân còi chân //Định nghĩa chân motor rung chân 33 void loop() 34 { 35 int ButtonATStatus = digitalRead(ButtonAT); 36 int ButtonLStatus = digitalRead(ButtonL); 37 int uS1=Sonar1.ping(); 38 float distance1=(uS1/US_ROUNDTRIP_CM); 39 int uS2=Sonar2.ping(); 40 float distance2=(uS2/US_ROUNDTRIP_CM); 41 if(ButtonATStatus==LOW) 42 { 43 if(ButtonLStatus == LOW) 44 { 45 ControlB_Safe(driverAngle(),handleSpeed(),distance1, distance2); 46 Warning(distance1,distance2); 47 } 48 else 49 { 50 ControlF_Safe(driverAngle(),handleSpeed(),distance1, distance2) ; 51 Warning(distance1,distance2); 52 } 53 } 54 else 55 { 56 if(ButtonLStatus == LOW) 57 { 58 ControlB(driverAngle(),handleSpeed()); 59 } 60 else 61 { 62 ControlF(driverAngle(),handleSpeed()); 63 } Nhóm sinh viên thực hiện: PMVs Hướng dẫn: TS Phạm Quốc Thái 74 Nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển xe điện cá nhân 64 } 65 //Chương trình cảnh báo 66 void Warning(float dis1, float dis2) 67 { 68 if(((360