Nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình thiết bị xác định góc đặt bánh xe ô tô

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO Cơng trình ñược hoàn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG VŨ TRUNG KIÊN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH THIẾT BỊ XÁC ĐỊNH GĨC ĐẶT BÁNH XE Ô TÔ Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Phạm Đăng Phước Phản biện 1: PGS.TS Lê Cung Phản biện 2: PGS.TS Trần Xuân Tùy Chuyên ngành: SẢN XUẤT TỰ ĐỘNG Mã số: 60.52.60 Luận văn ñã ñược bảo vệ trước hội ñồng chấm Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ Kỹ thuật họp Đại học Đà Nẵng vào ngày 05 tháng 12 năm 2011 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2011 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng 3 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Có nhiều phương pháp khác để xác định góc đặt bánh nguyên nhân ảnh hưởng chúng + Nghiên cứu thực tế thiết bị chuẩn đốn hiệu chỉnh hệ thống xe tơ có thị trường xe Phổ biến dùng hệ thống gồm nhiều thiết bị, dụng cụ + Nghiên cứu xây dựng mơ hình thực nghiệm chương trình khí, với thời gian kiểm tra lâu, độ xác khơng cao.Trong tính tốn góc đặt bánh xe đó, thiết bị kiểm tra góc đặt bánh xe dùng xử lý ảnh kỹ thuật Ý nghĩa khoa học thực tiễn hồng ngoại, laser mua nước ngồi đắt tiền, việc nghiên + Ứng dụng vào việc rút ngắn thời gian kiểm tra, xác định góc đặt cứu thiết bị xác định góc đặt bánh xe hạn chế bánh xe; nâng cao ñộ xác ño lường, giảm giá thành thiết bị nhược ñiểm việc cần thiết nhằm rút ngắn thời gian kiểm tra + Gọn nhẹ linh hoạt, thích hợp với gara ơtơ có quy mơ chuẩn đốn góc đặt bánh xe, giảm số lượng thao tác người vừa nhỏ, cá nhân sử dụng kiểm tra, nâng cao độ xác đo đạc, đồng thời tích hợp vào Cấu trúc luận văn: luận văn bao gồm chương hệ thống thử phanh công ty Dameco + Chương 1: Tổng quan góc đặt bánh xe tơ, vai trị Mục đích đề tài ảnh hưởng chúng Trình bày tổng quan góc đặt bánh xe tơ + Tìm hiểu góc đặt bánh xe, vai trị ảnh hưởng chúng đến vận hành tơ + Chương 2: Một số phương pháp xác định góc đặt bánh xe tơ + Tìm hiểu phương pháp xác định góc đặt bánh xe ưu Trình bày tổng quan số phương pháp xác định góc đặt nhược điểm chúng bánh xe tơ + Nghiên cứu ứng dụng số loại cảm biến vào việc xác định + Chương 3: Thiết kế mơ hình thiết bị xác định góc đặt bánh xe góc đặt bánh xe tơ + Xây dựng mơ hình phần cứng thiết bị chương trình xử lý Trình bày phương án thiết kế phần cứng phần mềm mơ tính tốn góc đặt bánh xe tơ hình thiết bị kiểm tra góc đặt bánh xe tơ + Kiểm tra xác định góc đặt bánh xe thực tế Phạm vi nghiên cứu Đề tài giới hạn phạm vi xác định góc ñặt bánh xe camber, caster bánh xe ô tô Phương pháp nghiên cứu + Nghiên cứu lý thuyết dạng sai lệch góc đặt bánh xe, + Chương 4: Kết đạt nhận xét Trình bày kết ñạt ñược, ưu nhược ñiểm hướng phát triển đề tài ( Tồn bánh xe luận văn nói đến bánh xe tơ ) Chương TỔNG QUAN VỀ CÁC GÓC ĐẶT BÁNH XE VÀ Chương THIẾT KẾ MƠ HÌNH THIẾT BỊ XÁC ĐỊNH GÓC ẢNH HƯỞNG CỦA CHÚNG ĐẶT BÁNH XE Ơ TƠ 1.1 GĨC ĐẶT BÁNH XE 3.1 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ Do tích hợp vào hệ thống thử phanh nên cần giao tiếp ñược với 1.1.1 Góc camber máy tính Nhưng khơng phải gara máy tính để gần bệ 1.1.2 Góc caster 1.1.3 Góc kingpin (góc nghiêng trục lái) 1.1.4 Góc chụm (hay ñộ chụm) thử nên lựu chọn phương án dùng giao tiếp khơng dây với máy tính (cụ thể dùng module thu phát sóng radio) Như phương án thiết kế gồm: 1.1.5 Bán kính quay vịng + Mạch thu thập liệu từ cảm biến, dùng nguồn ni từ pin 1.2 ẢNH HƯỞNG CỦA GĨC ĐẶT BÁNH XE + Mạch giao tiếp máy tính 1.2.1 Ảnh hưởng góc camber + mạch giao tiếp thông qua module thu phát không 1.2.2 Ảnh hưởng góc caster dây 1.2.3 Ảnh hưởng góc kingpin + Mạch giao tiếp máy tính kết nối máy tính qua cổng USB 1.2.4 Ảnh hưởng góc chụm (hay độ chụm) 1.2.5 Ảnh hưởng bán kính quay vịng + Chương trình giao diện tính tốn máy tính, in báo cáo 3.2 SƠ ĐỒ KHỐI MƠ HÌNH 1.3 NHẬN XÉT Chương MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH GĨC ĐẶT BÁNH XE Ơ TƠ 2.1 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH BẰNG DỤNG CỤ CƠ KHÍ ĐO GĨC 2.2 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH BẰNG KỸ THUẬT LASER 2.3 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH BẰNG XỬ LÝ ẢNH 2.4 NHẬN XÉT Hình 3.1: Sơ đồ khối mơ hình 3.3 NHỮNG MODULE DÙNG TRONG MƠ HÌNH 3.3.1 Module cảm biến gia tốc MMA7620Q Định nghĩa góc Pitch (ρ), Roll (φ), Theta (θ) góc hợp trục X, Y, Z với mặt đất, góc tính từ giá trị gia tốc trục sau: 3.3.1.1 Giới thiệu cảm biến gia tốc MMA7620Q Ax ρ = arctan( A y + A2 z 3.3.1.2 Các phương pháp calib cho cảm biến gia tốc ϕ = arctan( ∗ Phương pháp (Manual 0g X, Y, Z full range calibration) ∗ Phương pháp (Simple 0g X, Y, Z calibration) θ = arctan( ∗ Phương pháp (Freefall calibration) ∗ Phương pháp (Simple 0g X, 0g Y, +1g Z calibration) 3.3.1.3 Các phương pháp xác ñịnh góc nghiêng cảm biến gia Ay A2 x + A2 z A2 x + A2 y ∗ Xác ñịnh góc nghiêng giá trị gia tốc trục 3.3.3 Module vi điều khiển ∗ Xác định góc nghiêng giá trị gia tốc trục 3.3.3.1 Giới thiệu vi điều khiển PIC ∗ Xác định góc nghiêng giá trị gia tốc trục ∗ Họ cấp thấp (low-end) ∗ Họ cấp chung (Mid-range) ∗ Họ cấp cao (High-end) 17Cxxx ∗ Họ cấp cao (High- performance) 3.3.3.2 Vi điều khiển PIC 18F2550 ∗ Thơng số tổng qt ∗ Sơ đồ chân Hình 3.13: Các góc Pitch (ρ), Roll (φ) Theta (θ) ) 3.3.2.1 Giới thiệu chung module thu phát vô tuyến HM-TR 3.3.2.2 Module HM-TR433 hướng vật thể không gian chiều ) 3.3.2 Module thu phát vô tuyến tốc Cảm biến gia tốc trục toạ độ dùng để xác định góc định Az ) (3.9) 10 ∗ Khối giao tiếp khác 3.4 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG MÔ HÌNH VCC 3.4.1 Mạch điện tử J4 J3 VCC D1 1N4148 3.4.1.1 Mạch thu thập liệu từ cảm biến R1 10K RST ∗ Khối nguồn data clock J1 3_3V X Y Z G1 G2 SL JACK_NAP R2 1k IN C3 104 OUT 3 VIN VOUT Hình 3.23: Khối nạp chương trình, khối giao tiếp với module cảm 3_3V C5 C4 220uF J2 Acc_module U3 REG1117 GN D ENB C6 C7 47uF 104 biến gia tốc khối giao tiếp với module thu phát vô tuyến RX RF_module VCC GN D U1 LM7805 SW3 9VDC TX 104 3.4.1.2 Mạch giao tiếp máy tính LED ∗ Khối vi điều khiển D2 PIC18F2550 C1 33p C2 33p 10 Y1 20Mhz OSC1/CLKIN RB0/AN12/INT0/FLT0/SDI/SDA RA0/AN0 RB1/AN10/INT1/SCK/SCL RA1/AN1 RB2/AN8/INT2/VM0 RA2/AN2/Vref -/CVref RB3/AN9/CCP2/VP0 RA3/AN3/Vref + RB4/AN11/KBI0 RA4/T0CKI/C1OUT/RCV RB5/KBI1/PGM RA5/AN4/SS*/HLVDIN/C2OUT RB6/KBI2/PGC RB7/KBI3/PGD VSS X Y Z G1 G2 VSS 33p 19 C2 21 22 23 24 25 26 27 28 VSS SL SCL SDA 19 OSC2/CLKOUT/RA6 10 11 12 13 14 15 16 17 18 VDD 33p RC0/T1OSO/T13CKI RC1/T1OSI/CCP2/UOE* RC2/CCP1 VUSB RC4/D-/VM RC5/D+/VP RC6/TX/CK RC7/RX/DT/SD0 RB0/AN12/INT0/FLT0/SDI/SDA RA0/AN0 RB1/AN10/INT1/SCK/SCL RA1/AN1 RB2/AN8/INT2/VM0 RA2/AN2/Vref -/CVref RB3/AN9/CCP2/VP0 RA3/AN3/Vref + RB4/AN11/KBI0 RA4/T0CKI/C1OUT/RCV RB5/KBI1/PGM RA5/AN4/SS*/HLVDIN/C2OUT RB6/KBI2/PGC RB7/KBI3/PGD TX RX 11 12 13 14 15 16 17 18 DD+ TX RX 21 22 23 24 25 26 27 28 ENB clock data VCC C3 104 Hình 3.24: PIC18F2550 mạch giao tiếp máy tính ENB clock data ∗ Khối giao tiếp khác VCC VCC 20 C1 MCLR*/VPP/RE3 OSC1/CLKIN VSS PIC18F2550 OSC2/CLKOUT/RA6 Y1 20Mhz ∗ Khối vi ñiều khiển RST RC0/T1OSO/T13CKI RC1/T1OSI/CCP2/UOE* RC2/CCP1 VUSB RC4/D-/VM RC5/D+/VP RC6/TX/CK RC7/RX/DT/SD0 MCLR*/VPP/RE3 VDD Hình 3.21: Khối nguồn mạch thu thập liệu 20 RST 3_3V C8 104 Hình 3.22: PIC18F2550 mạch thu thập liệu J2 D1 1N4148 LED VCC R1 10K RST data clock J1 J3 TX RX DD+ R2 330 ENB USB CONNECT JACK_NAP RF_module Hình 3.25: Khối nạp chương trình, khối giao tiếp module thu phát vô tuyến khối giao tiếp usb 11 12 3.4.2 Thiết kế khí 3.5.1.2 Góc caster Mạch thu thập liệu pin cấp nguồn ñược gắn khung Gắn hệ trục tọa ñộ vuông góc (x, y, z) có gốc tọa độ giao ñiểm ñỡ ñể gá ñặt vào bánh xe Do mạch thu thập liệu nhỏ gọn P1 trục bánh xe trục lái, trục y trùng với trục chuyển động pin có khối lượng nhỏ nên khung đỡ khơng chịu lực nhiều u cầu cầu, trục z trục thẳng đứng (hình 3.27) thiết kế khung nhỏ gọn, thẩm mỹ, bền gá đặt lên nhiều loại bánh khác Từ u cầu em thiết kế khung đỡ hình 3.26 Kí hiệu: + K: góc caster, góc trục z hình chiếu trục lái lên mặt phẳng (y, z) R15 + S: góc nghiêng trục lái (SAI), góc trục z hình 60 R3 chiếu trục lái lên mặt phẳng (x, z) 266 30 + C: góc camber, góc trục xe mặt phẳng (x, y) + T: góc toe , góc trục x hình chiếu trục bánh xe R4 13 Ř6 R5 75 28 R10 10 23 R5 R5 lên mặt phẳng (x, y) 80 30 220 + C0: góc camber góc toe = Ta có: sin C = (cos C0 − cos C cos T ) tan S − cos C sin T tan K + sin C0 Hình 3.26: Khung ñỡ gá ñặt lên bánh xe (3.23) 3.5 XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH XỬ LÝ DỮ LIỆU 3.5.1 Tính tốn góc ñặt bánh xe 3.5.1.1 Góc camber Đặt cảm biến xuống nền, ta đo góc nghiêng so với phương nằm ngang θ Khi gá ñặt cảm biến lên mặt phẳng bánh xe, ta đo góc nghiêng α, trừ góc θ ta góc camber bánh xe Hình 3.27: Hình minh họa trục lái với góc caster, SAI, camber toe 13 14 Để đo góc caster, ta xoay bánh xe góc T1 T2, tương ứng ta có góc camber C1, C2: sin C1 = (cos C0 − cos C1 cos T1 ) tan S − cos C1 sin T1 tan K + sin C0 sin C2 = (cos C0 − cos C2 cos T2 ) tan S − cos C2 sin T2 tan K + sin C0 (3.24) Giải phương trình ta có: sin C1 − sin C2 cosC2 cosT2 − cosC1cosT1 K = tan −1 ( − tan S ) cos C2 sin T2 − cosC1 sin T1 cos C2 sin T2 − cosC1 sin T1 (3.25) Góc camber đo q trình đo góc caster nhỏ, 3.5.2 Xử lý liệu từ cảm biến gia tốc Tín hiệu từ cảm biến gia tốc qua mạch lọc thơng thấp ñề nghị nhà sản xuất, tín hiệu ño ñược hình 3.28 thường 2o Ta xấp xỉ cosC = 1, với sai số 2o khoảng 0,06% Khi ta có: sin C1 − sin C2 cosT2 − cosT1 − K = tan −1 ( tan S ) sin T2 − sin T1 sin T2 − sin T1 Khi ta xoay T1 = T2 cosT1 = cosT2, góc K trở thành: sin C1 − sin C2 K = tan −1 ( ) sin T2 − sin T1 Ta có: tan x ≈ x(π / 180) sin x ≈ x(π / 180) Hình 3.28: Tín hiệu từ cảm biến gia tốc sau qua lọc thơng thấp (3.26) Ta thấy tín hiệu cịn nhiều gợn sóng, kết khơng ổn định 3.5.2.1 Giới thiệu chung lọc Kalman cho hệ tuyến tính rời rạc (3.27) Thuật toán Kalman cho hệ rời rạc hình 3.29 (3.28) Vậy: K≈ 180 C1 − C2 π T2 − T1 (3.29) Với T2 = -T1 = 200 K≈ 180 C1 − C2 ≈ 1,433(C1 − C2 ) π 20 − (−20) (3.30) Hình 3.29: Thuật tốn Kalman cho hệ rời rạc Như ta nhận thấy thuật toán gồm hai bước: bước ước đốn trạng thái tiên nghiệm (time update) bước hiệu 15 16 chỉnh lại ước đốn (measurement update) dựa thơng tin đầu vào − đo zk Chú ý x$ k giá trị dự đốn ñược cập nhật từ giá trị ước lượng x$ k −1 3.5.2.2 Thiết lập lọc Kalman cho tốn cảm biến Mơ hình tốn: xk = Axk −1 + Buk −1 + w k −1 Hình 3.30: Tín hiệu từ cảm biến gia tốc sau qua lọc Kalman Với giá trị thu ñược: 3.5.3 Chương trình vi điều khiển zk = Hxk + v k 3.5.3.1 Giới thiệu phần mềm CCS Trạng thái khơng đổi từ bước sang bước nên A = 1, khơng có điều khiển nên u = 0, ño lường trực tiếp nên H = 1, ta có: xk = xk −1 + w k −1 zk = xk + v k (3.34) 3.5.3.2 Lưu ñồ thuật tốn chương trình thu thập liệu giao tiếp máy tính ∗ Chương trình mạch thu thập liệu Chương trình (hình 3.31) Các phương trình cho lọc Kalman: + Phương trình cho trình ước ñoán trạng thái: − x$ k = x$ k −1 Pk − = Pk −1 + Q (3.35) + Phương trình cho q trình hiệu chỉnh lại ước đốn: Kk = Pk − Pk − + R − − x$ k = x$ k + K k ( zk − x$ k ) (3.36) Pk = (1 − K k ) Pk − Kết ñạt ñược với x(0) = 0, P0 − = 0, Q = 0, 001, R = hình 3.30 Ta thấy kết ổn định dùng để tính tốn Hình 3.31: Thuật tốn chương trình mạch thu thập liệu 17 Chương trình ngắt timer1 (hình 3.32) 18 ∗ Chương trình mạch giao tiếp máy tính Chương trình (hình 3.34) Hình 3.32: Thuật tốn chương trình ngắt timer1 mạch thu thập liệu Chương trình ngắt RDA (hình 3.33) Hình 3.33: Thuật tốn chương trình ngắt RDA mạch thu thập liệu Hình 3.34: Thuật tốn chương trình mạch giao tiếp máy tính 19 Chương trình ngắt RDA (hình 3.35) 20 3.5.4.2 Lưu đồ thuật tốn xử lý liệu tính tốn Chương trình (hình 3.36) Hình 3.35: Thuật tốn chương trình ngắt RDA mạch giao tiếp máy tính 3.5.4 Chương trình máy tính 3.5.4.1 Giới thiệu phần mềm LabVIEW ∗ Thế mạnh LabVIEW ∗ Các khả LabVIEW ∗ Các thành phần LabVIEW Hình 3.36: Thuật tốn chương trình máy tính 21 Chương trình calib cảm biến gia tốc (hình 3.37) 22 Chương trình đo góc camber (hình 3.38) Hình 3.38: Thuật tốn chương trình tính góc camber máy tính Chương trình đo góc caster (hình 3.39) Hình 3.37: Thuật tốn chương trình calib máy tính Hình 3.39: Thuật tốn chương trình tính góc caster máy tính 23 24 3.5.4.3 Giao diện chương trình Hình 3.43: Giao diện đo góc caster Hình 3.40: Giao diện Chương KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ NHẬN XÉT 4.1 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC Đề tài ñã ñạt ñược kết quả: + Tìm hiểu tổng quan góc đặt bánh xe tơ + Xây dựng biểu thức tính tốn giá trị góc camber, caster + Ứng dụng cảm biến gia tốc ñể xác ñịnh góc nghiêng tĩnh Hình 3.41: Giao diện calib cảm biến gia tốc + Xây dựng lọc Kalman nhằm khử nhiễu từ cảm biến gia tốc + Chế tạo thành cơng mơ hình thiết bị kiểm tra góc camber, caster bánh xe tơ + Xây dựng chương trình giao tiếp, tính tốn góc camber, caster máy tính tích hợp vào chương trình hệ thống thử phanh cơng ty Dameco Hình 3.42: Giao diện đo góc camber 25 26 Kết đo ñạc thực tế (khi chưa thiết kế lọc Kalman ñể lọc KẾT LUẬN Đề tài ñã nghiên cứu lý thuyết chế tạo thành cơng mơ hình thiết nhiễu) Kết ño xe Toyota gara chi nhánh Hino Đà Nẵng Bảng 4.1: Kết đo góc thực tế có lọc Kalman Lần Đo thiết bị thử (ñộ) 1.78 1.11 7.23 8.55 3.5 Đo dụng cụ khí đo góc (độ) Camber 1.7 1.1 Caster 7.1 8.5 3.6 Sai lệch bị điện tử đo góc đặt bánh xe tơ, chưa hồn thiện thành sản phẩm hồn chỉnh đề tài giải vấn ñề nguyên lý quy trình đo góc camber, caster Kết đo đạc xác so sánh với thiết bị khí Hàn Quốc, thể tính ưu việt phương pháp ño kỹ thuật ñiện tử 0.08 0.01 0.13 0.05 0.1 Từ kết đạt được, ta thấy mơ hình thiết bị có ưu điểm: nhỏ gọn, chi phí thấp, kết tương đối xác, kết nối máy tính để lưu in kết Hướng phát triển ñề tài: yêu cầu thực tế cần phải giao tiếp máy tính để tích hợp vào chương trình hệ thống thử phanh nên tồn tính tốn xử lý thực máy tính (tận dụng khả tính tốn mạnh máy tính) Tuy nhiên tính tốn 4.2 NHẬN XÉT hồn tồn lập trình vi điều khiển, bao gồm thuật tốn lọc Giá trị đo chưa thiết kế lọc Kalman cịn dao động nhiễu, tính tốn giá trị góc,…, đồng thời quy trình đo đạc góc nhiều nhiều nguồn nhiễu tác ñộng vào cảm biến nhiễu ñược lập trình hiển thị dẫn cho người dùng thông qua từ môi trường, nhiễu nguồn cung cấp, nhiễu trình xử lý… Sau giao tiếp LCD Khi trở thành thiết bị xách tay ñộc lập thiết kế lọc Kalman, kết thí nghiệm cho giá trị ổn định, với máy tính, thuận lợi với khách hàng cá nhân, dùng ñiều nâng cao ñộ xác ño lường tiến hành ño ñạc lúc nơi thực tế Ngồi ra, thiết bị cịn tích hợp thêm module la bàn điện tử để việc đo góc caster xác thuận tiện hơn, khơng phải vạch góc lên (Đề tài khơng sử dụng la bàn điện tử tận dụng mâm xoay có sẵn hệ thống thử phanh)  ... tra góc đặt bánh xe tơ + Kiểm tra xác định góc đặt bánh xe thực tế Phạm vi nghiên cứu Đề tài giới hạn phạm vi xác ñịnh góc đặt bánh xe camber, caster bánh xe ô tô Phương pháp nghiên cứu + Nghiên. .. quan góc đặt bánh xe tơ + Tìm hiểu góc đặt bánh xe, vai trị ảnh hưởng chúng ñến vận hành ô tô + Chương 2: Một số phương pháp xác định góc đặt bánh xe tơ + Tìm hiểu phương pháp xác định góc đặt bánh. .. bánh xe ưu Trình bày tổng quan số phương pháp xác định góc đặt nhược điểm chúng bánh xe ô tô + Nghiên cứu ứng dụng số loại cảm biến vào việc xác ñịnh + Chương 3: Thiết kế mơ hình thiết bị xác định