Hệ thống điều khiển của mô hình là hệ thống gồm các mạch điện tử kết nối với nhau. Nó có nhiệm vụ hiển thị thông tin, truyền tín hiệu đến các mạch xử lý và điều khiển động cơ. Yêu cầu đối với hệ thống điều khiển là phải hoạt động ổn định, chính xác, an toàn, không bị lỗi trong quá trình hoạt động.
3.1.2 Thiết kế mạch điện tử
Có nhiệm vụ rất quan trọng, xử lí tất cả các tín hiệu đưa vào, các tín hiệu phản hồi để đưa ra các tín hiệu điều khiển hợp lí và chính xác. Chính vì vậy, cần phải chọn một con vi điều khiển có tốc độ nhanh và có độ ổn định cao. Vi điêu kiển chúng em dùng vi điều khiên Atmega16. Đây là loại vi điều khiển đáp ứng được các yêu cầu đặt ra của đồ án. Phần mạch điện tử được chia ra làm 2 khối chính.
Khối điều khiển động cơ :
Hai bánh chủ động được điều khiển bằng 2 động cơ thông qua bộ điều khiển PID. Bộ điều khiển PID này sử dụng encoder để xác định vận tốc của xe lăn. Phương pháp điều khiển này tương đối chính xác, khả năng đáp ứng hệ thống tương đối cao. Ngoài ra còn có 1 động cơ dùng để phanh hãm.
a. Mạch xử lý trung tâm: sử dung chip Atmega8.
RG1 1 - in 2 + in 3 V- 4 Vref 5 outV+ 6 7 RG2 8 IC2 INA118 PC6 (RESET) 1 PD0 (RXD) 2 PD1 (TXD) 3 PD2 (INT0) 4 PD3 (INT1) 5 PD4 (XCK/T0) 6 VCC 7 GND 8 PB6 (XTAL1/TOSC1) 9 PB7 (XTAL2/TOSC2) 10 PD5 (T1) 11 PD6 (AIN0) 12 PD7 (AIN1) 13 PB0 (ICP) 14 PB1 (OC1A) 15 PB2 (SS/OC1B) 16 PB3 (MOSI/OC2) 17 PB4 (MISO) 18 PB5 (SCK) 19 AVCC 20 AREF 21 GND 22 PC0 (ADC0) 23 PC1 (ADC1) 24 PC2 (ADC2) 25 PC3 (ADC3) 26 PC4 (ADC4/SDA) 27 PC5 (ADC5/SCL) 28 IC4 ATmega8-L IN 1 G N D 2 OUT 3 IC1 LM7805 GND 1 2 R8 PWM1 PWM2 DIR1 DIR2 D2 220 R2 GND GND 470uF C5 22p C4 D1 120R R1 +9V -9V GND GND adc1 adc0 C6 RG1 1 - in 2 + in 3 V- 4 Vref 5 outV+ 6 7 RG2 8 IC3 INA118 120R R5 +9V -9V GND GND adc1 C10 1 2 3 4 JP2 1 2 3 4 JP3 1 2 3 4 JP4 1 2 3 4 JP5 VCC VCC VCC VCC VCC VCC VCC GND GND GND GND P W M 1 P W M 2 D IR 1 D IR 2 ec d1 ec d2 ch 1 ch 2 ecd1 ecd2 ch1 ch2 1 2 3 JP1 JP3 470uF C3 470uF C7 +9V -9V adc0 GND IN1 1 2 3 4 5 OUT 1 IN2 OUT 2 G N D J1 Jac Phone2 GND IN1 1 2 3 4 5 OUT 1 IN2 OUT 2 G N D J2 Jac Phone2 GND G N D 1 V D D 2 V S S 3 R S 4 R /W 5 E N 6 D 0 7 D 1 8 D 2 9 D 3 10 D 4 11 D 5 12 D 6 13 D 7 14 A 15 K 16 LCD1 GND VCC GND VCC R6 B D 4 B D 5 B D 6 B D 7 R S RW E BD4 BD5 BD6 BD7 RS RW E R7 D3 D6 D5 220 R3 GND D4 220 R4 GND +9V -9V GND GND VR1 10K VR2 10K C1 10uF C2 10uF C8 10uF C9 10uF 1 2 P1 GND
Hình 3.5: mạch nguyên lý khối xử lý trung tâm.
20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 1 2 1 2 3 1 2 3 1 2 1 2 1 2 1 2 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 1 2 2 1 2 1 1 2 1 2 1 2 2 1 2 1 2 1 3 2 1 5 6 7 8 4 3 2 1 5 6 7 8 4 3 2 1 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 4 3 2 1 5 4 3 2 1 5 1 2 3 1 2 3 4 1 2 3 4 4 3 2 1 4 3 2 1 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1
Hình 3.6: mạch in khối xử lý trung tâm.
b. Mạch công suất.
Dùng IC điều khiển mạch cầu là IR2184, cho dòng điện cao, đáp ứng tần số cao. Do mosfet dễ bị đánh thủng khi áp giữa cực G và S>20V, và để điện trở trong của mosfet là nhỏ nhất khi mosfet mở thì Ugs>= 10V đối với mosfet IRF3205 như trong mạch sử dụng ( khi mở Rds=0.02ohm). IC driver IR 2184 có mạch boottap để tăng điện áp điều khiển của mosfet, đảm bảo điện áp điều khiển luôn>=10V và <=20V, điều này giúp mosfet thông hoàn toàn, không gây tiêu tán do tỏa nhiệt trên mosfet, vì nhiệt độ cao>150oC lớp silicon cách ly cực G với cực nền sẽ bị phá hủy làm mosfet thông hoàn toàn dẫn đến quá dòng và phá hủy.
Hình 3.8: Khối mạch cầu H.
Hình 3.9: khối điều khiển mạch cầu H.
Phân tích mạch công suất:mạch được điều khiển bởi tín hiệu xung PWM+, PWM- và hai tín hiệu DR+ và DR-. Nếu DR- và PWM- được nối với GND ta sẽ điều khiển tốc độ động cơ bằng PWM dương, nghĩa là: độ rộng xung mức 1 của PWM càng lớn thì tốc độ động cơ càng nhanh. Và đạt maximum khi PWM=MAX và ngược lại, chân PWM + lúc này nối với chân PWM của VDK, chân DR+ lúc này cấp mức 1 thì động cơ quay thuận, cấp mức 0 thì động cơ quay nghịch. Nếu DR+ và PWM+ được nối với 5V của bord VDK thì lúc đó ta sẽ điều khiển tốc độ động cơ bằng PWM âm, nghĩa là: độ rộng xung mức 0 của PWM càng lớn thì tốc độ động cơ càng nhanh. Và đạt
maximum khi PWM=MIN, và ngược lại.Chân PWM- lúc này nối với chân PWM của VDK.Chân DR- lúc này cấp mức 0 thì động cơ quay thuận, cấp mức 1 thì động cơ quay nghịch.
c. Encoder.
Encoder nhóm sử dụng có hình như bên dưới. Khối lượng 30g. Nguồn 5VDC, 256 xung, hai pha A, B. đường kính trục 6mm. Đường kính vỏ ngoài 45mm. Tốc độ 5.000.000 xung/phút.
Hình 3.10: Encoder
3.1.3 Thiết kế chương trình điều khiển:
a. Xây dựng bài toán lập trình.
39auk hi phần cứng xong ta đi thiết lập chương trình điều khiển. Yêu cầu bài toán là sau khi hệ thống được khởi động ta chọn hai chế độ là nút nhấn hoăc giọng nói. 39auk hi chọn 1 trong hai chế độ thì việc còn lại là ra lệnh cho xe di chuyển đến các vị trí.
Ngôn ngữ lập trình nhóm sử dụng là lập trình bằng ngôn ngữ C.
b. Xây dựng lưu đồ thuật toán.
Xây dựng lưu đồ thuật toán sẽ giúp cho việc lập trình dễ dàng hơn, tường minh hơn. Lưu đồ được chỉnh ra trên khổ giấy A3 sau.
Hình 3.11: Lưu đồ thuật toán c. Chương trình điều khiển.
Những chú ý khi viết chương trình điều khiển.
Khi viết chương trình điều khiển cần chú ý đến các vấn đề:
• Tuân thủ chặt chẽ thuật toán đã đề ra trước đó, chương trình theo đúng và đủ các bước trong thuật toán.
• Đảm bảo việc đọc các giá trị tín hiệu đúng kịp thời, tránh nhầm lẫn.
• Các chương trình con thực hiện một cách nhanh gọn chính xác.
Chương trình điều khiển bao gồm chương trình chính và 3 chương trình con:
• Chương trình xử lý sóng điện cơ.
• Chương trình đọc giữ liệu từ joystick.
• Chương trình thuật toán PID.
Sai Sai Thực hiện lệnh Thực hiện lệnh Lệnh Lệnh
Điện cơ joystick
nhấn Start
CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG
4.1 Thiết kế và thi công cơ khí chuyển động
Để thiết kế chiếc xe lăn điện, trước tiên ta phải thiết kế các bộ phận của chiếc xe như là: Khung chính xe, cụm tựa lưng, cụm bánh sau, cụm bánh trước, cụm gối tay, cụm để chân, hộp đựng mạch
4.1.1 Thiết kế và thi công khung xe (hình 4.1)
Hình 4.1: khung xe lăn điện
Chọn kích thước:
Khi thiết kế xe lăn các kích thước được lấy dựa theo kích thước trung bình của cơ thể con người, do đó nhất thiieets phải đảm bảo các điều kiện sau:
• Bề rộng (nhìn thẳng từ mặt người sử dụng)
• Về ngang (nhìn từ bên hông người sử dụng)
Hình 4.2: Xe lăn nhìn từ các góc độ
Thiết kế sao cho kích thước của chiếc xe phải lớn hơn kích thước bề ngang, bề rộng, độ dài của cơ thể con người sử dụng và tuân theo các tiêu chuẩn về kích thước không gian sử dụng xe (phải là tối thiểu để xe có thể đi vào các địa hình hẹp như: cửa ra vào, ngõ, hẻm phố, hành lang…)
Để thuận tiện cho người sử dụng xe, thì các kích thước từ tay người xử dụng đến các bộ phận điều khiển (phanh, lái, nâng hạ dựa lưng, tỳ chân) dễ điều khiển nhất, tốn ít lực nhất…
Chiều cao của mặt sàn tới đất là
l = l1 - l2
Trong đó:
l: khoảng cách từ mặt sàn đến trục bánh sau. Điểm cần chú ý là trong quá trình tính toán khoảng cách từ mặt sàn tới trục bánh sau sao cho khi điều khiển lực dồn lên bánh xe phải là lực đẩy (do lực đẩy thường lớn hơn lực kéo).
l1: là khoảng cách từ điểm tỳ tay đến trục bánh sau khi người sử dụng cúi xuống phía trước 10 150 (do trong quá trình điều khiển vành lăn, để dồn, tang sức vào vành lăn thường có xu hướng nhào người về phía trước):
l1 = H/(2,14 .2) + (80 120) mm chọn l1 = 420mm
l2: là khoảng cách từ điểm tỳ tay đến mặt sàn, khi lái xe tay vươ ra ngoài, thành tỳ tay nằm giữa cánh tay và thân do đó ta chọn l2 < H (2,14 .2), maetj khác điểm tỳ tay không nên cao hơn hoặc thấp hơn khuỷu tay (tạo tư thế thoải mái cho người sử dụng khi dừng xe) chọn l2 = 280mm.
Do đó l = 140mm
Hình 4.3: Mô hình xe lăn
Mặt khác do đại hình, đoạn đường đi rất khác nhau do đó trong quá trình tính khung khoảng cách giữa các trục phải đảm bảo xe không bị lật, đổ trong quá trình sử dụng trên những đoạn đường dốc và nghiêng, do đó trang quá trình tính toán khoảng cách giữa các trục (trục bánh trước và trục bánh sau) khoảng cách giữa hai bánh sau phải đủ rộng, dài để sao cho trọng tâm bị khống chế trong diện tích của bốn bánh xe.
4.1.2 Thiết kế và thi công cụm bánh sau
Hình 4.5: Thi công cụm bánh sau
Việc lắp ráp đúng cụm bánh sau sẽ làm tang tuổi thọ của ừng chi tiết, đối với cụm bnahs sau trong quá trình cân bánh là rất quan trọng vì quá trình cân vành đúng sẽ giúp cho bánh xe không bị đảo, vành không bị cong méo, biến dạng.
Các bước lắp ráp cụm bánh sau: Bước 1: lắp bạc tỳ vào trục.
Bước 2: Đóng vòng trong ổ bi thứ nhất vào trục sao cho áp sát vào mặt của bạc. Bước 3: Lắp cả cụm trục, bạc, ổ vi vào moay ơ (đóng vòng ngoài của ở bi vào Moay ơ.
Bước 4: Luồn ống chống bi vào trục ( cố định vòng trong của ổ bi).
Bước 5: Đóng vòng trong của ổ bi vào trục và vòng ngoài của ổ bi vào Moay ơ. Bước 6: Lắp nan hoa vào và Moay ơ (chéo 2, chéo 4, chéo 6, chéo 8…).
Lưu ý: Để lắp nan hoa đúng kỹ thuật khi lắp giao điểm của nan hoa chéo nhau trên mặt phẳng ngang nhất thiết phải nằm trên đường thẳng nối trung điểm của hai lỗ trên Moay ơ và 2 lỗ trên cành (bằng cách thay đổi khoảng cách giữa tam Moay ơ và vành thông qua ăn khớp ren giữa nan hoa và căn chỉnh nan hoa).
Đối với cụm bánh trước của xe lăn này ta chọn chéo 8, tổng số nan hoa là 36 cái.
4.1.3 Thiết kế và thi công cụm bánh trước
Hình 4.6: Thiết kế cụm bánh trước
Cụm bánh trước có thể xoay được mọi hướng và làm tăng khả năng điều khiển của xe. Cụm bánh trước gồm vành những đúc, săm, lốp, vòng bi, trục, trục càng bánh trước.
Các bước lắp ráp cụm bánh trước:
Bước 1: lắp đóng lỗ Moay ơ trên vành 1 vào bạc trung gian 3 cho đến khi gờ lỗ trên Moay ơ chạm vào vai trục trên bạc trung gian 3.
Bước 2: luồn lốp đặc 4 vào trục ngoài trên nửa vành 1 đồng thời đóng nốt nửa vành 1’ vào bạc trung gian.
Như vậy bạc trung gian đóng vai trò là chốt trụ dài khống chế 4 bậc tự do. Bước 3: bắt 3 bu lông đai ốc 8 vào 3 lỗ trên vành 1, 1’, lốp đặc 4 , thông qua vai trục khống chế nốt 2 bậc tự do còn lại đồng thời tạo thành một khối vành, lốp, bạc trung gian thống nhất được kẹp chặt vào nhau.
Bước 4: đóng vòng ngoài của ổ bi đỡ 2 vào vòng trong của bạc trung gian 3. Bước 5: đóng vòng trong của ổ bi đỡ 2’ vào trục 1.
Bước 6: đưa cả cụm trục 1 và ổ bi đỡ 2’ vào bạc trung gian. Bước 7: lắp long đen, bạc chặn vào 2 phía trục .
Bước 8: đưa cả cụm bánh trước lắp vào trục càng bánh trước .
Hình 4.9: Thi công cụm gối tay
Cụm gối tay là bộ phận không thể thiếu đối với các loại xe lăn, với bản thiết kế xe lăn này cụm gối tay không những có tác dụng để cho người sử dụng gối tay lên đó mà còn là bộ phận chốt kết cấu ngả lưng.
Đặc biệt với chiếc xe lăn này cụm gối tay có thể tháo ra được giúp cho người khuyết tất có thể dễ dàng xuống xe.
4.1.5 Thiết kế và thi công cụm tựa lưng
Hình 4.11: Thiết kế cụm tựa lưng
Hình 4.12: Thi công cụm tựa lưng
Trong quá trình sử dụng xe lăn, với những người sống và làm việc liên tục mà phải dùng đến xe lăn trong nhiều giờ, nếu sử dụng đúng một tư thế ngồi liên tục thì sẽ
là vùng lưng ) và bị tê vùng bắp chân do trọng lượng dồn vào cơ chân làm tắc nghẽn mạch máu. Chính vì thế việc tạo ra những tư thế thoải mái là một nhu cầu bức thiết với người sử dụng xe lăn.
Ngày nay việc tạo ra các kết cấu đơn giản nhưng hiệu quả trong sử dụng xe lăn đã và đang trở lên phổ biến, xe lăn giờ đây ngoài tư thế ngồi cứng nhắc đã có thể biến thành một chiếc ghế sofa hay một chiếc giường một cho người sử dụng khi muốn thay đổi tư thế.
Do đó để thiết kế cụm tựa lưng ta phải thiết kế: tấm tựa lưng và kết cấu ngả lưng phân cấp
4.1.5.1 Tấm tựa lưng
Tấm tựa lưng giúp người ngồi trên xe tựa vào đó khi mỏi lưng, tấm tựa lưng gồm 2 bộ phận: thanh inox và đệm
Hình 4.13: Thiết kế tấm tựa lưng
• Thanh inox: là bộ phận chịu lực chính khi cho ghế nằm ngả ra
• Đệm: làm cho người ngồi cảm giác thoải mái
4.1.5.2 Kết cấu ngả lưng phân cấp
Là bộ phận điều chỉnh ngả lưng theo các góc độ nhất định, đối với loại kết cấu này chế tạo đơn giản, giá thành hạ, sử dụng thuận tiện, kết cầu ngả lưng có 2 bộ phân chính là thanh phân cấp và chuôi cầm.
Hình 4.14
• Thanh phân cấp: là bộ phận dùng để ngả lưng theo góc độ nhất đinh, một đầu của thanh gắn vào tấm tựa lưng thông qua 1 trục và 1 đầu gắn vào chuôi cầm.
• Chuôi cầm: giúp người ngồi trên xe có thể tự điều chỉnh được góc độ nhất đinh dễ dàng hơn.
4.1.6 Thiết kế và thi công cụm để chân
Hình 4.16: Thi công cụm tựa lưng
Cơ cấu nâng hạ chân bao gồm : bàn để chân, thanh tỳ, đệm đỡ chân
Đặc điểm của người khuyết tật là không tự điều chỉnh được đôi chân của mình theo như mong muốn, vì thế việc bố trí cụm để chân cho xe lăn phải thuận tiện, việc bố trí thuận tiện, không được gò bó hoặc quá thừa (dài quá hoặc ngắn quá) cụm để chân sẽ làm cho tư thế ngồi thoải mái, không làm tắc nghẽn mạch máu.
Với loại xe lăn thông thường, hầu hết các cụm để chân được gắn cứng với