25
Nguồn: Giáo trình “Dao động và tiếng ồn” – TS. Lâm Mai Long
Trong đó:
F2: lực tác dụng của m2 lên cơ cấu treo sau. FC2: Lực đàn hồi do lò xo có độ cứng C2 gây ra. FK2: Lực cản của giảm chấn có hệ số cản là K2 gây ra. Ta có phương trình cân bằng sau:
F2 = FC2 + FK2 Trong đó:
FK2 = K2. 𝑍𝑡𝑑2′ FC2 = C2.Ztd2
Chuyển dịch tương đối giữa có cấu treo sau và khối lượng không được treo hay biến dạng của nhíp sau được xác định như sau:
𝑍𝑡𝑑2= Z2 – 𝜉2
Thay vào phương trình trên ta được: F2 = K2. (𝑍2′ - 𝜉2′ ) + C2.( Z2 – 𝜉2)
Vậy lực tác dụng lên phần khối lượng được treo là:
26
Hình 2. 6 Mô hình khối lượng được treo của xe
Nguồn: Giáo trình “Dao động và tiếng ồn” – TS. Lâm Mai Long
Trong đó
F1: Lực tác dụng của m lên cơ cấu treo trước. F2: Lực tác dụng của m lên cơ cấu treo sau. Phương trình cân bằng:
27
CHƯƠNG 3. THIẾT BỊ ĐO DAO ĐỘNG 3.1. Khảo sát các mô hình tương tự
Trước khi tiến hành dự án, nhóm chúng em đã khảo sát một số mô hình có tính chất tương tự hoặc bán tương tự với mô hình mà chúng em đã đề ra. Trong các kết quả được khảo sát, có hai mô hình được đánh giá là có tính chất gần giống với mô hình của nhóm. Thứ nhất là mô hình truyền dữ liệu realtime được sử dụng trong các cuộc đua xe công thức 1 (Formula 1). Thứ hai là thiết bị thu thập dữ liệu, hỗ trợ kiểm tra đánh giá các hệ thống trên ô tô – VBOX automotive.
3.1.1. Mô hình truyền dữ liệu realtime trên đường đua F1
Trên đường đua F1, việc thu thập các dữ liệu trên xe trong quá trình đua là cực kì quan trong. Những thông số này sẽ được sử dụng với nhiều mục đích khác nhau. Dưới đây là hình ảnh mạng lưới thông tin được truyền trong cuộc đua:
Hình 3. 1 Mạng lưới dữ liệu trong cuộc đua F1
Nguồn: Internet
Theo đó, dữ liệu trên xe sẽ được gửi đến các node như RACE ENGINEERS, TEAM PRINCIPAL, TRACKSIDE ANALYSTS, OPERATION ROOM ANALYSTS. Nhìn chung dữ liệu trên đường truyền sẽ phục vụ 2 yêu cầu chính, đầu tiên là sự phân tích tại chỗ và đưa ra những chỉ dẫn cho các tay đua từ các kĩ sư đường đua. Thứ hai là hỗ trợ cho việc phát triển và cải tiến các hệ thống trên xe nhầm nâng cao chất lượng của xe để đáp ứng tốt nhất các yêu cầu của đường đua [6].
Các trạm phát sóng được lắp đặt với mật độ thích hợp trên khắp đường đua nhầm đảm bảo việc truyền dữ liệu từ xe về các trạm là liên tục và hiệu quả nhất. Mỗi lúc xe ra ngoài phạm vi phát sóng của một trạm phát sóng sẽ luôn có một trạm phát sóng kế tiếp đảm nhận vai trò này, mô hình nay tương tự với mạng lưới liên lạc bằng điện thoại di động.
28 Trên máy tính của các trạm được cài đặt một chương trình để hiển thị các dự liệu dưới dạng đồ thị, điều này giúp quá trình theo dõi được đơn giãn hóa khi phải theo dõi một lúc nhiều thông tin. Các dữ liệu được thu thập là số vòng quay động cơ, tốc độ di chuyển của xe, trạng thái li hợp, hốp số, tốc độ bánh xe, dịch chuyển của giảm chấn, vị trí góc vô lăng, áp suất phanh, góc mở bướm ga, tín hiệu GPS... Dưới đây là giao diện màn hình của máy tính đọc dữ liệu tại các trạm.
Hình 3. 2 Giao diện dữ liệu các thông số trên xe F1
Nguồn: Internet
3.1.2. Thiết bị thu thập dữ liệu VBOX automotive
Việc kiểm tra các thông số của các hệ thống trong quá trình vận hành của xe là một điều quan trọng. Điều này ngoài việc phục vụ công tác cải tiến hệ thống còn đóng vai trò là điều kiện đảm bảo các hệ thống trên ô tô vận hành với hiệu suất cao nhất và an toàn nhất. Với mục đích phục vụ cho công việc này, công ty Racelogic đã đưa ra một dòng sản phẩm hỗ trợ với tên gọi chung là VBOX [9].
29
Hình 3. 3 Thiết bị VBOX 3i
Nguồn: Internet
Với vai trò chính là đọc dữ liệu từ các hệ thống trên xe, VBOX được phép truy cập vào mạng CAN trên ô tô để truy xuất các dữ liệu cần thiết. Một số ứng dụng chính của thiết bị này là: thu thập dữ liệu từ các hệ thống an toàn, tiện nghi, kiểm tra công suất và một số hệ thống khác trong quá trình kiểm tra, thu thập. Cụ thể, thiết bị có thể thu thập dữ liệu của hệ thống hỗ trợ lái nâng cao như Adaptive cruise control, Blind spot detection, AEB & Collision, Lane departure warning, Robot Intergration, Park Assist. Các kiểm tra về hệ thống phanh như Brake testing, Tyre testing. Kiểm tra hiệu suất động cơ…
Đặc biệt với kĩ thuật tính toán sai lệch của GPS so với trạm cố định GNSS-RTK, dữ liệu GPS ( tọa độ và vận tốc) trên phương tiện mục tiêu được cải thiện cao về độ chính xác, từ đó nâng cao độ tin cậy của dữ liệu GPS – dữ liệu bị nhiễu rất nhiều do các yếu tố tầng khí quyển và các bực xạ ảnh hưởng đến bước sóng vệ tinh.
30
Nguồn: Internet
Nguồn: Internet
Với việc cung cấp các chương trình ứng dụng đi kèm như VBOX test suite, VBOX setup, VBOX file processor, thiết bị VBOX càng thuân tiện trong việc sử dụng.
3.2. Mô hình thiết bị
3.2.1. Giới thiệu tổng quát về thiết bị
Thông số cơ bản:
Kích thước: 161 x 71 x 200 mm. Chuẩn giao tiếp với cảm biến: I2C.
Giắc kết nối: 5 cổng RJ45, 2 cổng USB type B, 1 cổng SMA, 1 cổng DC. Chip VĐK của main controller: ATmega2560-16Au.
Hình 3. 5 Cải thiện độ chính xác GPS với phương pháp DGPS
31 Dưới đây là hình ảnh thiết bị gồm mặt trước và mặt sau. Mặt trước gồm 5 cổng kết nối RJ45 để kết nối với các cảm biến (4 cảm biến gia tốc dịch chuyển thẳng đứng, 1 cảm biến vận tốc gốc gyro), 1 khe cắm thẻ SD card, 1 cổng USB type B để kết giao tiếp với máy tính. Mặt sau gồm 1 giắc SMA để kết nối ăng-ten GPS, 1 đèn led tín hiệu từ GPS, 1 giắc nguồn DC 12V, 1 cổng USB để kết nối trược tiếp máy tính với GPS.
Hình 3. 6 Mặt trước thiết bị
Hình 3. 7 Mặt sau thiết bị
3.2.2. Các tính năng trên thiết bị
Nhóm chúng em đã xây dựng sơ đồ khối tổng quát nhằm xác định rõ các mục tiêu cần đạt của dự án nói chung và các yêu cầu cần có của thiết bị nói riêng. Mô hình tổng quát được xây dựng gồm: Một thiết bị trung tâm để thu thập và xử lí các giá trị mà các cảm biến cũng như các mô-đun khác gửi về, khối cảm biến bao gồm cảm biến gia tốc dịch chuyển thẳng đứng và cảm biến góc quay gyro, một thiết bị GPS để thu thập tọa độ và vận tốc di chuyển của xe, một mô-đun bluetooth hỗ trợ truyền dữ liệu sang thiết bị android, một mô-
32 đun SD card để lưu lại dữ liệu trong quá trình kiểm tra. Toàn bộ dữ liệu trong quá trình hoạt động của thiết bị được gửi qua laptop bằng dây cáp truyền dữ liệu.
Hình 3. 8 Sơ đồ các khối chức năng trên thiết bị
Theo như sơ đồ tổng quan, thiết bị sẽ đọc dự liệu từ hai loại cảm biến đưa về, đó là cảm biến gia tốc dịch chuyển thẳng đứng và cảm biến vận tốc góc Gyro gồm ba loại vận tốc: roll, pitch, yaw. Bên cạnh đó, thiết bị còn nhận thêm tín hiệu từ thiết bị GPS gửi về. Việc có thêm tín hiệu GPS sẽ hỗ trợ đắc lực cho nhà phân tích dữ liệu trong việc nắm bắt hành trình cũng như vận tốc di chuyển của phương tiện. Module SD card sẽ hỗ trợ ghi và lưu tất cả dữ liệu trong quá trình vận hành thiết bị. Dữ liệu được gửi về máy tính thông qua dây cáp kết nối, bên cạnh đó thiết bị cũng có thể kết nối gián tiếp với máy tính thông qua kết nối bluetooth.
3.2.3. Sơ đồ thiết bị
33
Hình 3. 9 Sơ đồ khối các mô-đun trên thiết bị
Theo như sơ đồ các khối trên thiết bị, thiết bị được Main controller đòng vai trò là mạch xử lí trung tâm. Main controller được cấp nguồn điện từ 2 nguồn. Nguồn thứ nhất là nguồn 5V được tích hợp trong giao tiếp USB khi kết nối thiết bị với máy tính.
Hai khối cảm biến trong thiết bị là module cảm biến gia tốc MPU6050 và cảm biến vận tốc góc gyro L3G4200D. Dự liệu từ cảm biến MPU6050 được dẫn vào kênh mở rộng của mạch mở rộng giao tiếp TCA9548A trước khi mạch mở rộng này kết nối với bus I2C của Main controller. Dữ liệu từ cảm biến L3G4200D được truyền về Main Controller thông qua kết nối với bus I2C. Thiết bị GPS với ăng-ten được kết nối với Main controller thông qua giao tiếp UART để gửi dữ liệu về tọa độ (Kinh độ, vĩ độ) và vận tốc của xe trong khi di chuyển. Toàn bộ các dữ liệu đọc được trên Main Controller được lưu vào thẻ SD card thông qua mạch Arduino micro SD.
3.2.3.2. Sơ đồ nguyên lí
34
3.3. Tiến hành xây dựng và thiết kế 3.3.1. Các module trong hệ thống 3.3.1. Các module trong hệ thống
3.3.1.1. Main Controller – Mạch điều khiển trung tâm
Hình 3. 11 Main controller
Mô tả tổng quát thiết bị
Thiết bị đóng vai trò mạch điều khiển trung tâm trong dự án của chúng em là board Main Controller như hình trên. Board sử dụng chip VĐK ATmega2560-16au (54 chân digital IO và 16 chân analog IO). Bo mạch với việc được trang bị 3 timer và 6 cổng interrupt hoàn toàn có thể giải quyết được những bài toán hóc búa về điều khiển nhiều loại thiết bị và xử lí song song nhiều luồng dữ liệu số cũng như dư liệu tương tự.
Board mạch được trang bị sẵn 3 cổng giao tiếp UART, một giao tiếp I2C, một giao tiếp SPI. Bên cạnh đó được tích hợp thêm module LoRA, wifi nhằm hỗ trợ các dự án cần giao tiếp dữ liệu từ xa…
ATmega2560-16Au là một vi điều khiển CMOS 8 bit công suất thấp dựa trên kiến trúc RISC nâng cao của AVR. Bằng cách thực hiện các câu lệnh mạnh mẽ trong một chu kỳ đồng hồ duy nhất, ATmega2560 đặt được thông lượng tiếp cận 1 MIPS trên mỗi MHz cho phép nhà thiết kế hệ thống tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ so với tốc độ xử lí.
35 Thiết bị được sản xuất bằng cách sử dụng công nghệ bộ nhớ không lưu trữ mật độ Atmel. Bằng cách kết hợp một CPU RISC 8 bit với Flash-Programmable In-System trên chip đơn, Atmel ATmega2560 là một VĐK mạnh mẽ cung cấp một giải pháp rất linh hoạt và tiết kiệm chi phí cho nhiều ứng dụng điều khiển nhúng [12].
Thông số kỹ thuật của chip ATmega2560-16Au Bảng 3. 1 Thông số kỹ thuật ATmega2560-16au
Nhà cung cấp Microchip Technology
Độ phân giải ADC 10 Bit
Độ phân giải DAC N/A
Độ rộng bus dữ liệu 8 Bit
Lõi thiết bị AVR
Kích thước 14x14x1mm
Xung nhịp đồng hồ tối đa 16MHz
Tần suất CPU tối đa 16MHz
Bộ nhớ mở rộng tối đa 64KB Điện áp hoạt động tối đa 5.5V
Nhiệt độ hoạt động -40 to 85 °C Kích thước bộ nhớ chương trình 256KB
Bộ nhớ RAM 8KB
36 Sơ đồ chân chip ATmega2560-16au trên board mạch
Hình 3. 12 Sơ đồ chân chip ATmega2560-16au trên board main controller
Nguồn: Sơ đồ nguyên lí mạch main controller
Vị trí các cổng giao tiếp và nguồn được lấy trên bo mạch
37 Do các cổng giao tiếp trên board mạch chưa được đưa ra giắc kết nối, nhóm chúng em đã xác đình các vị trí các cổng giao tiếp trên board mạch như hình, cụ thể gồm 2 cổng giao tiếp UART để giao tiếp với thiết bị khác, 1 cổng UART để giao tiếp với chương trình máy tính, 1 cổng giao tiếp I2C, một nguồn cung cấp 12V.
3.3.1.2. Module cảm biến
Cảm biến gia tốc dịch chuyển thẳng đứng – MPU6050
Có nhiều loại cảm biến gia tốc trên thị trường, do đó việc lựa chọn cảm biến gia tốc phù hợp là điều cần thiết. Cảm biến gia tốc được lựa chọn dưa trên một số tiêu chí sau: số trục gia tốc, độ nhạy, loại dữ liệu output, độ chính xác. Theo đó, nhóm chúng em lặp được bảng so sánh một số loại cảm biến như sau:
Bảng 3. 2 So sánh một số cảm biến gia tốc
Loại cảm biến Số trục Độ nhạy Loại dữ liệu Giá Độ chính xác
MiniSense Piezo 1 ±1𝑔 Analogue Thấp Thấp
IEPE accelerometer 1 1V/g Analogue Thấp Thấp
ADXL - 203 2 ±5𝑔 Analogue Cao TB
ADXL - 335 3 ±3𝑔 Analogue Thấp Thấp
Hitachi Metal 3 ±3𝑔 Analogue TB Thấp
MPU - 6050 3 ±16𝑔 Digital Thấp Cao
Nguồn: Internet Từ các so sánh trên, nhóm chúng em quyết định sử dụng cảm biến MPU – 6050 cho dự án của mình vì các ưu điểm của nó so với các cảm biền khác.
Nguồn: Internet
38 Cảm biến GY- 521 6DOF IMU MPU6050 là cảm biến của hang InvenSense. Cảm biến được sử dụng để đo 6 thông số trên 3 trục được tích hợp trong 1 chip duy nhất, bao gồm 3 giá trị góc quay Gyro quanh 3 trục và 3 giá trị gia tốc hướng (accelerometer). MPU-6050 sử dụng công nghệ độc quyền MotionFusion của InvenSense có thể chạy trên các thiết bị di dộng, tay điều khiển.
MPU-6050 còn có một đơn vị tăng tốc phần cứng chuyên xử lí tín hiệu (Digital Motion Processor – DSP) do cảm biến thu thập và thực hiện các tín toán cần thiết. Điều này giúp giảm bớt đáng kể phần xử lí, tính toán của VĐK, cải thiện tốc độ xử lí và cho ra phản hồi nhanh hơn. Đây chính là một điểm khác biệt đáng kể của MPU-6050 so với các cảm biến gia tốc và gyro khác.
Các cảm biến bên trong MPU-6050 sử dụng bộ chuyển đổi tương tự (ADC- Analogue to Digital Converter ) 16 bit cho ra kết quả chi tiết về góc quay, tọa độ. Với 16 bit ta có 216=65536 giá trị cho một cảm biến. Tùy thuộc vào yêu cầu của người dùng mà có thể sử dụng cảm biến ở chế độ tốc độ xử lí cao hoặc độ chính xác cao
MPU-6050 còn có thể kết hợp với cảm biến từ trường (bên ngoài) để tạo thành bộ cảm biến 9 góc đầy đủ thông qua giao tiếp I2C [11].
Đây là loại cảm biến gia tốc phổ biến nhất trên thị trường ngày nay. Có nhiều ví dụ và dự án liên quan hoặc sử dụng đến cảm biến này. Một số dự án điển hình như con lắc động, xe tự cân bằng, flycam, tay cầm chơi game…
Thông số kỹ thuật
Chip: MPU-6050 (16bit ADC, 16bit data out).
Giá trị Gyroscapes trong khoảng: ±250, ±500, ±1000, ±2000 độ/giây. Giá trị gia tốc trong khoảng : ±2𝑔, ±4𝑔, ±8𝑔, ±16𝑔.
Giao tiếp: I2C.
Nguồn sử dụng: 3 – 5V(DC). Điện áp giao tiếp: 3 – 5V(DC).
39
Sơ đồ nguyên lí cảm biến GY- 521 6DOF IMU MPU6050
Hình 3. 15 Sơ đồ nguyên lí cảm biến MPU6050
Nguồn: Datasheet MPU6050
Chức năng các chân trên cảm biến
Bảng 3. 3 Chức năng các chân trên cảm biến MPU6050
Chân Mô tả
VCC Cấp nguồn hoạt động cho module, nguồn cấp: 3.3 – 5V GND Nối GND của nguồn
SCL Nối với chân SCL của VĐK SDA Nối với chân SDA của VĐK
XDA Chân dữ liệu( kết nối với cảm biến khác XCL Chân xung( kết nối với cảm biến khác AD0 Bit 0 của địa chỉ I2C
INT Ngắt lặp trình theo yêu cầu( programmable interrupt).
40 Cảm biến góc quay Gyro
Hình 3. 16 Cảm biến gyro ba trục L3G4200D
Nguồn: Internet
Mặc dù cảm biến MPU-6050 cũng hỗ trợ đọc giá trị các góc gyro, nhưng qua nhiều lần