2.4.1. Giới thiệu về module Bluetooth
Về cơ bản Bluetooth là một giao tiếp bằng sóng radio ở băng tần 2.4 đến 2.480 GHz, rất gần với chuẩn Wifi 2.4 GHz hiện nay. Tuy nhiên, khác với Wifi hay các sóng radio khác, Bluetooth hoặt động ở 1 băng tần cố định, nó triển khai theo khái niệm “nhảy tần trải phổ”, có nghĩa là băng tần hoạt động của Blutooth thay đổi liên tục với 79 kênh (từ 2.400 GHz đến 2.480 GHz). Do đó bằng cách thay đổi kênh khoảng 1600 lần/s, trong quá trình truyền nhận có thể trách đƣợc sự gây nhiễu của các tần số radio khác.
Trong dự án này, nhóm sử dụng module chuẩn truyền thông này là module HC-05 và module HC-06. Các module này đƣợc thiết kế dựa trên chíp BC417. Con chíp này khá phức tạp và sử dụng bộ nhớ flash ngoài 8Mbit. Nhƣng việc sử dụng module này rất dễ do nhà sản xuất đã tích hợp tất cả mọi thứ cần thiết trên modul HC-05,HC-06.
Sơ đồ chân trên 2 modul này giống nhau và gồm có:
- Key : Chân này để chọn chế độ hoạt động AT mode hoặc data mode.
- VCC: Chân này có thể cấp nguồn từ 3.6-6V bên trong đã có một ic nguồn chuyển
về điện áp 3.3V và cấp cho IC BC417.
- GND : Nối với chân nguồn GND
- TXD,RND : đây là 2 chân UART để giao tiếp module hoạt động ở mức 3.3V.
- STATE : Chỉ cần để không và không cần quan tâm đến chân này.
2.4.2. Sơ đồ khối kết nối Bluetooth
Hình 2.14. Sơ đồ nối chân HC-05 với Arduino
Do quá trình cài đặt HC-05 sử dụng tập lệnh AT,nên chân PIN34 của module phải đƣợc đƣa lên mức cao để HC-05 đƣợc hoạt động ở chế độ AT.
Chân RX (nhận dữ liệu) của module HC-05 đƣợc kết nối với chân D3 (TX) của arduino. Chân TX (xuất dữ liệu) của module HC-05 đƣợc kết nối với chân D2 (RX) của arduino.
.
Hình 2.15. Sơ đồ nối chân HC-05 với Arduino 2.4.3. Giao tiếp giữa 2 board Arduino
Trƣớc khi nói về nguyên lí hoạt động trong việc truyền nhận tín hiệu giữa 2 module, ta nói sơ qua về giao tiếp UART.
UART tồn tại nhƣ IC độc lập, chúng thƣờng đƣợc tìm thấy bên trong vi điều khiển. UARTs chịu trách nhiệm cho cả việc gửi và nhận dữ liệu nối tiếp. Là một khối mạch chịu
trách nhiệm thực hiện truyền thông nối tiếp. Về cơ bản, UART hoạt động nhƣ một trung gian giữa các giao diện song song và nối tiếp. Ở một đầu của UART là một bus có tám
đƣờng truyền dữ liệu, đầu còn lại là hai dây nối tiếp - RX và TX.
Hình 2.17. Sơ đồ đƣờng truyền dữ liệu
Tại arduino M (master), các dữ liệu truyền đi sẽ đƣợc vi điều khiển mã hóa và đƣa đến các chân “data bus” và truyền sang UART-M theo dạng song song, UART sẽ xử lí tạo ra các gói dữ liệu và gửi gói tin thông qua đƣờng TX-M đi đến module HC-05 qua đƣờng RX-5 với thời gian chính xác (theo tốc độ baud). Và thông qua đƣờng truyền truyền thông giữa 2 module bluetooth, gói dữ liệu đó đƣợc truyền từ module HC-5 qua module HC-06. Gói dữ liệu đƣợc gửi qua chân TX-6 đến arduino S (slave) qua đƣờng RX-S. Sau đó dữ liệu đƣợc UART-S xử lí và truyền đến vi điều khiển thông qua các chân “data bus” dƣới dạng song song, tại đây các dữ liệu đƣợc vi xử lí tiếp nhận và xử lí. Hoàn thành một chu trình truyền. Khi thiết bị Slave gửi tín hiệu về thiết bị Master cũng tƣơng tự. Lƣu ý tốc độ baud giữ truyền và nhận là nhƣ nhau.
Trong đó:
- TX-5, RX-5: chân TX, RX của module HC-05
- TX-6, RX-6: chân TX, RX của module HC-06
Chƣơng 3. THI CÔNG 3.1. Thiết kế
3.1.1. Thiết kế tổng quan
Dựa trên những nghiên cứu, mẫu có sẵn trên thị trƣờng và những chi tiết có sẵn, chiếc xe đƣợc thiết kế với xu hƣớng có kích thƣớc nhỏ gọn, nhẹ và thuận tiện trong quá trình di chuyển. Chiều rộng và chiều dài đƣợc thiết kế sao cho ngƣời sử dụng có thể đứng ở tƣ thế thoải mái trong quá trình di chuyển,cũng nhƣ trong quá trình rẽ trái phải. Ngƣời sử dụng sẽ không phải gồng mình giữ thăng bằng mà chỉ cần hơi nghiêng ngƣời về phía trƣớc là có thể đứng ổn định khi di chuyển. 3.1.1.1. Kết cấu xe Bảng 3.1. Bảng giá trị kích thƣớc xe Chiều dài tổng 260 mm Chiều rộng tổng 400 mm Chiều cao tổng 90 mm
Chiều dài cơ sở 203 mm
Chiều rộng cơ sở 318 mm
Chiều dài từ giữa tâm bánh trƣớc đến tâm xoay bánh sau
175 mm
Hình 3.1. Hình chiếu bằng của xe
Hình 3.3. Hình chiếu bằng từ dƣới lên của xe
Có một vài điểm trên bản vẽ sẽ khác với thực tế do sai số của dụng cụ và các vấn đề phát sinh trong quá trình thi công.
Hình 3.4. Ảnh xe nhìn từ trên xuống
3.1.1.2. Khung sƣờn
Khung sƣờn của xe đƣợc làm từ vật liệu tấm composite cốt sợi thủy tinh và 2 mặt của tấm đƣợc gia cố bằng sợi carbon.
Hình 3.8. Tấm carbon cốt sợi thủy tinh
Ƣu điểm của vật liệu composite sợi carbon là:
- Khả năng chịu lực kéo gấp 10-15 lần so với thép.
- Trọng lƣợng rất nhẹ, dễ dàng vận chuyển, thi công lắp đặt.
- Khả năng chịu uốn đa dạng giúp vật liệu dễ dàng ứng dụng trong các kết cấu chịu uốn.
- Thích hợp cho công tác gia cố nâng cấp chất lƣợng cho các kết cấu chịu nén, chịu kéo, chịu tải trọng lớn.
Vì đƣợc gia cố bằng sợi carbon nên bộ khung khá chắc và có độ bền cao, đồng thời kích thƣớc đƣợc giảm thiểu rất nhiều so với các vật liệu khung nhôm hay inox. Khối lƣợng của khung cũng giảm rất nhiều, toàn bộ khung có khối lƣợng chỉ 1 Kg. Khả năng chịu lực của khung sau khi gia công có thể lên hơn 100 Kg.
Khung sƣờn của xe đƣợc gia công bằng máy CNC cắt theo kích thƣớc đã đƣợc nêu trên. Việc gia công bằng máy CNC sẽ giúp cho quá trình đo đạc cũng nhƣ gia công lỗ gắn kết các bộ phận khác đƣợc chính xác hơn.
3.1.1.3. Bas gá bánh trƣớc
Bas gắn bánh trƣớc đƣợc làm bằng nhôm và đƣợc gia công bằng máy CNC cắt dây nên có độ chính xác cao. Độ dày của bas là 1cm .
Góc liên kết giữa bề mặt gắn vào khung chính và bề mặt gắn motor đƣợc thiết kế kiểu tam giác chịu lực nên khả năng chịu lực của bas rất cao.
Hình 3.11. Bas gắn bánh trƣớc sau khi hoàn thành
3.1.1.4. Hệ thống treo bánh sau
Việc thiết kế hệ thống treo đƣợc dựa trên cơ sở thực nghiệm ban đầu:
Khi vào đƣờng mấp mô, 4 bánh xe không đồng thời bám xuống mặt đƣờng. Lực bám của 2 bánh trƣớc không tốt.
Xe có xu hƣớng chạy lệch khi điều khiển đi thẳng.
Để bốn bánh xe có độ bám tốt trên mặt đƣờng. Do 2 bánh trƣớc là motơ điện nên việc thiết kế hệ thống treo khá phức tạp và khó thực hiện. Vì vậy hệ thống treo bánh sau đƣợc
Cấu tạo hệ thống treo bao gồm:
- Bas gắn với khung sƣờn.
- Bas gắn với bánh xe.
- Trục liên kết giữa 2 bas.
- Lò xo đàn hồi.
- Đai ốc tăng đơ điều chỉnh.
- Ốc lục giác gắn kết các bộ phận.
Hình 3.15. Bản vẽ trục liên kết giữa 2 bas
Điểm đặc biệt của hệ thống treo là bộ tăng đơ điều chỉnh. Cơ cấu này giúp điều chỉnh góc nghiêng β của bề mặt xoay của bánh tự lựa khi ở trạng thái chƣa có tải và sau khi có tải. Điều chỉnh góc này giúp bánh xe sau luôn song song với bánh xe trƣớc và có xu hƣớng chuyển động thẳng về phía trƣớc. Do đây là bản thử nghiệm nên phải có bộ tăng đơ để điều chỉnh cho phù hợp. Hình ảnh trong vòng tròn đỏ chính là cơ cấu tăng đơ điều chỉnh.
Hình 3.16. Hình ảnh mô phỏng bộ tăng đơ
Hình 3.18. Hình ảnh mô phỏng hệ thống treo trên solidwork
3.2. Mạch điều khiển 3.2.1. Mạch remote
Hình 3.20. Sơ đồ bộ điều khiển
Mạch remote gồm:
- A - Modul Bluetooth HC-05.
- B - Mạch Arduino nano .
- C- Cần điều khiển Joystick Sơ dồ cấu tạo Joystick:
Hình 3.22. Sơ đồ mạch Joystick
Trong đó:
R1: là biến trở có giá trị từ 0-1023, ở vị trí cân bằng mang giá trị 501, tới giá trị tăng
từ 501 đến 1023, lùi giá trị giảm từ 501 về 0
R1: là biến trở có giá trị từ 0-1023, ở vị trí cân bằng mang giá trị 501, trái giá trị tăng
từ 501 đến 1023, phải giá trị giảm từ 501 về 0
button switch: nút nhấn, ở vị trí ban đầu có giá trị là 1023, nhấn có giá trị là 0
3.2.2. Mạch điều khiển chính
Hình 3.23. Mạch điều khiển chính
Mạch điều khiển chính gồm các chi tiết:
- A - Mạch nguồn LM2596 cung cấp cho toàn bộ bo mạch.
- B - Mạch Arduino nano .
- C - IC MCP4921 chuyển đổi DAC
- D - Modul Bluetooth HC-06.
- 1,8 - Giắc cấp nguồn cho driver mà motor.
- 2,7 - Giắc xuất tín hiệu điện áp điều khiển đến driver.
- 3,6 - Giắc kết nối chân đọc cảm biến Hall từ driver.
3.2.3. Mạch driver
Hình 3.24. Sơ đồ dây trên mạch driver
Thứ tự các dây trên mạch driver:
- 1,8 - 2 dây đảo chiều quay động cơ.
- 2,9 - 3 dây pha kết nối với motor.
- 3,7 - Giắc kết nối với giắc đọc cảm biến Hall trên mạch chính.
- 5 - Giắc cấp nguồn 36V cho mạch driver.
3.2.4. Mạch nguồn LM2596
Hình 3.25. Mạch nguồn LM2596
Bảng 3.2. Thông số kỹ thuật mạch LM2596
Điện áp đầu vào 4.5 - 35V
Điện áp đầu ra 1.3 - 30V
Dòng điện ra max 3A
Hiệu suất chuyển đổi 92%
Tần số chuyển đổi 150 KHz
3.2.5. IC MCP4921
Hình 3.26. MCP4921
Sơ đồ chân IC MCP4921:
1-VDD cấp nguồn dƣơng 5-LDAC chốt ngõ vào 2-CS Chip Select 6-VREFA điện áp tham chiếu
3-SCK Clock 7-AVSS nối mass
4-SDI Serial Data In 8- VOUTA ngõ ra analog
Bảng 3.3. Thông số kỹ thuật IC MCP4921
Độ phân giải 12 bit
Điện áp hoạt động 2.7 - 5V
Thời gian xác lập ngõ ra 4.5us
Dòng điện tiêu thụ 175uA
3.2.6. Nguồn Accu
Hình 3.27. Accu GS-12V-6A
Sử dụng 3 accu ghép nối tiếp để đƣợc điện áp36V.
Do có cấu tạo đặc biệt nên lƣợng dung dịch điện phân trong Ắc quy không mất đi trong quá trình nạp - xả nhƣ Ắc quy thông thƣờng. Cấu tạo chính cho nguyên lý này chính là nhờ các tấm cách bằng giấy thủy tinh AGM có khả năng tái tạo nƣớc đến 99% kết hợp với một hệ thống van đặc biệt trên Ắc quy.
Bảng 3.4. Thông số kỹ thuật Accu
Loại bình Accu khô, sử dụng công nghệ VRLA
Điện áp định mức 12V
Dòng phóng max 6Ah
Dòng phóng min 0.6Ah (trong 10h)
Dòng sạc thông thƣờng 0.6A x 5~10 (h)
3.3. Sau khi hoàn thành các công đoạn gia công và lắp ghép
Hình 3.28. Mạch điều khiển sau khi hoàn thành.
Mạch điều khiển sau khi hoàn thành đƣợc đặt tại vị trí giữa xe để dễ dàng kết nối các dây với mô tơ điện.
Hình 3.31. Hình ảnh xe nhìn từ góc 3/4 phía trƣớc
Chƣơng 4. THỬ NGHIỆM
4.1. Mục đích của việc thử nghiệm
Nhằm đánh giá độ ổn định của xe
4.2. Phƣơng pháp thử nghiệm
Thử nghiệm các chế độ (đi thẳng, quẹo trái và quẹo phải) của xe trên hai chế độ không tải và có tải
4.3. Tiến hành
Bƣớc 1:
- Cho xe chạy ở chế độ không tải
- Chạy theo 3 chế độ thẳng, quẹo trái và quẹo phải - Xử lí số liệu
Bƣớc 2:
- Cho xe chạy ở chế độ có tải
- Chạy theo 3 chế dộ thẳng, quẹo trái và quẹo phải - Xử lí số liệu
Từ thực nghiệm ta có đƣợc các đồ thị sau:
Hình 4.1. Đồ thị thể hiện tốc độ của 2 động cơ khi xe đi thẳng không tải
Hình 4.2. Đồ thị thể hiện tốc độ của 2 động cơ khi xe đi thẳng có tải
0 50 100 150 200 250 300 350 0,2 0,6 1 1,4 1,8 2,2 2,6 3 3,4 3,8 4,2 4,6 5 5,4 5,8 6,2 6,6 7 7,4 7,8 8,2 8,6 9 Tố c đ ộ (RP M ) Thời gian (s) Tốc độ bánh xe khi đi thẳng Bánh xe trái Bánh xe phải
Theo nhƣ 2 đồ thị trên ta thấy:
Ở đồ thị Hình 4.1 Từ lúc bắt đầu tăng tốc đến khoảng 1,2s thì tốc độ 2 động cơ hoạt động tƣơng đối ổn định và bằng nhau, xe đi thẳng. Đến khoảng 2,7s thì động cơ phải quay chậm hơn và ở 2,9s thì động cơ đƣợc PID điều khiển bù tốc độ và lúc này 2 động cơ quay với tốc độ ổn định nhƣ nhau, xe tiếp tục chạy thẳng. Đến khoảng 7s thì bắt đầu giảm tốc độ động cơ.
Ở đồ thị Hình 4.2. Ta thấy động cơ trái có xu hƣớng hoạt động mất ổn định, tốc độ quay nhanh hơn động cơ phải. Hai động cơ không đồng tốc làm xe có xu hƣớng lệch phải.
Hình 4.3. Đồ thị thể hiện tốc độ của 2 động cơ khi xe rẽ trái
Theo nhƣ đồ thị trên ta thấy:
Từ lúc bắt đầu 2 động cơ hoạt động ổn định đến khoảng từ 3s đến 3,8s thì tốc độ động 0 50 100 150 200 250 300 350 0,2 0,6 1 1,4 1,8 2,2 2,6 3 3,4 3,8 4,2 4,6 5 5,4 5,8 6,2 6,6 7 7,4 7,8 Tố c đ ộ ( RP M ) Thời gian (s) Tốc độ bánh xe khi rẽ trái Bánh xe trái Bánh xe phải
Đồng thời trong khoảng thời gian đó động cơ phải vẫn giữ tốc độ ban đầu khoảng 300 v/p. Do có sự khác tốc giữa 2 đồng cơ (phải > trái) xe rẽ trái.
Hình 4.4. Đồ thị thể hiện tốc độ của 2 động cơ khi xe rẽ phải
Đến khoảng từ 2,7s đến 3,5s thì tốc độ động cơ phải giảm đột ngột. Sau đó tốc độ động cơ phải đƣợc ổn định ở khoảng 210 v/p Đồng thời trong khoảng thời gian đó động cơ trái vẫn giữ tốc độ ban đầu khoảng 300 v/p. Do có sự khác tốc giữa 2 đồng cơ (phải < trái) xe rẽ phải. 0 50 100 150 200 250 300 350 0,2 0,6 1 1,4 1,8 2,2 2,6 3 3,4 3,8 4,2 4,6 5 5,4 5,8 6,2 6,6 7 7,4 7,8 Tố c đ ộ ( R P M ) Thời gian (s) Tốc độ bánh xe khi rẽ phải Bánh xe trái Bánh xe phải
Chƣơng 5. KẾT LUẬN
5.1. Mục tiêu đạt đƣợc sau đồ án
- Tìm hiểu, nghiên cứu và thiết kế đƣợc phƣơng tiện di chuyển ca nhân “WALKCAR”.