4.2.2.6 pin năng lượng mặt trời
Trang 44
4.2.2.6 Mơ hình thực tế
4.3 Thiết kế phần vỏ
4.3.1 Quy trình làm phần vỏ của xe
Sau khi đã gia cơng phần cơ khí cho khung xe nhóm cần chọn vật liệu phù hợp để tạo ra hình dáng ban đầu của xe và từ hình dáng đó có thể tạo ra vỏ xe bằng vật liệu composite
Đầu tiên ta cần phải tạo ra hình dáng xe bằng cách:
Bảng 4.14 Ưu nhược điểm của các loại vật liệu
Xốp Đất sét Bìa carton
Ưu điểm - Giá thành rẻ - Quá trình tạo dáng nhanh - Dễ dàng trong việc tạo ra những hình dáng mong muốn - Dễ dàng tạo dáng Nhược Điểm - Dễ bị vụn - Chịu nhiệt kém - Giá thành cao - Chịu được nhiệt cao
- Khó tạo được các hình dạng phức tạp Q trình tạo dáng dài =>> Sau khi phân tích những ưu điểm nhược điểm trên nhóm đã chọn xốp để tạo ra hình dáng ban đầu của xe
Trang 45
Hình 4.11 Quá trình định định hình khung xe
Hình 4.12 Hình dáng ban đầu của xe
- Đắp các tấm composite lên khung xe, pha trộn keo polyester resin cùng với chất xúc tác nước cứng (theo tỉ lệ 1:8 thành hỗn hợp). dùng cọ quét sơn quét đều lên bề mặt
Trang 46 khung xe.
- Khi vỏ đã cứng lại, bắt đầu gỡ ra và xịt sơn hồn thành phần vỏ
Hình 4.13 Khung vỏ của xe sau khi composite đã đông cứng lại
- Do ảnh hưởng của của đại dịch covid 19 tại Việt Nam mà nhóm chúng tơi đã phải dừng lại việc gia công vỏ tại đây mà không thể tiếp tục thực hiện các bước tiếp theo được như kế hoạch ban đầu. nếu có thời gian nhóm chúng tơi sẽ thực hiện các bước tiếp theo như xử lý bề mặt bằng bả matit và sơn lại xe một cách bài bản hơn nữa
4.4 Thiết kế hệ thống
4.4.1 Giới thiệu
Để đảm bảo việc thi công mạch điện theo ý tưởng, chuẩn xác, không xảy ra sai sót và lập trình đơn giản hơn thì phải tính tốn và thiết kế mục tiêu chính của thiết kế mạch điện phải đảm bảo các yêu cầu sau:
- Tín hiệu của các cảm biến gửi về Arduino Uno không bị nhiễu. - Khối công suất hoạt động ổn định và không bị hiện tượng chập chờn.
Từ những u cầu trên thì cơng việc thiết kế sẽ có những bước cụ thể như sau: - Thiết kế sơ đồ khối hệ thống.
- Thiết kế mạch của từng khối, và cụ thể là: + Khối năng lượng mặt trời
Trang 47 + Khối cảm biến vật cản
+ Arduino Uno + Khối rẽ trái phải
+ Khối di chuyển tiến lùi + Khối nguồn
+ Camera + Khối Manual + Khối encoder
4.4.2 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
Hình 4.14 Sơ đồ nối pin
Hình 4.14 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển
Thông qua sơ đồ này, nhóm sẽ thiết kế từng khối và sau đó kết hợp chúng lại với nhau để đạt được mục đích cuối là hồn thành mạch điện của xe sử dụng năng lượng
Trang 48 và sử dụng công nghệ xử lý ảnh.
4.4.2.1 Chức năng của hệ thống
- Sơ đồ nối pin: Sau khi tiếp nhận ánh sáng từ mặt trời nó sẽ chuyển hóa thành điện năng, dòng điện này được đưa qua bộ chuyển đổi inverter để ổn định điện áp và sẽ được hệ thống nạp, nạp điện cho ắc quy ni tồn bộ hệ thống trên xe
- Laptop: Nhận lệnh điều khiển từ người dùng, cùng với các dữ liệu đã nhận như
camera, cảm biến vật cản, đưa ra lệnh điều khiển xe cho Arduino Uno.
- Khối cảm biến vật cản: Dùng để phát hiện vật cản trước và sau xe trong khoảng
từ 10cm đến 30cm.
- Camera: Dùng để thu thập hình ảnh gửi về Laptop.
- Arduino Uno: Nhận tín hiệu của cảm biến vật cản gửi lên Laptop, điều khiển xe
di chuyển theo lệnh mà Laptop gửi xuống.
- Khối Manual: Giúp xe dừng lại hay điều khiển trên đường khơng có line. - Khối encoder: Khối encoder giúp cho arduino biết được tốc độ xe hiện tại.
- Khối rẽ trái phải: Giúp cho xe rẽ trái và rẽ phải.
- Khối di chuyển tiến lùi: Giúp cho xe tiến lùi và gửi vận tốc của xe về khối điều
khiển công suất.
4.4.2.2 Hoạt động của hệ thống:
Sau khi tiếp nhận nguồn năng lượng từ mặt trời nguồn năng lượng đó sẽ được lưu trữ ( chuyển hóa) và sạc đầy nguồn (ắc quy), ắc quy sẽ cung cấp điện cho tồn bộ hệ thống hoạt động. Sau khi nhận tín hiệu từ các khối camera, laptop sẽ ra lệnh cho khối arduino, arduino sẽ điều khiển các cơ cấu chấp hành, cụ thể là khối rẽ trái phải và khối di chuyển tiến lùi
4.4.3 Thiết kế mạch
Công việc thiết kế mạch là công việc không thể thiếu khi bắt đầu thực hiện một dự án nào. Nó có tính quyết định lớn đến việc thành cơng của dự án. Mọi thiết bị và linh kiện cần được tính tốn và thiết kỹ kĩ lưỡng thì mới đem lại kết quả tốt cho dự án.
Theo sơ đồ khối, nhóm chúng tơi sẽ thiết kế sơ đồ nguyên lý gồm các phần:
Bảng 4.15 Linh kiện điện tử và công dụng
STT Linh kiện điện tử Công dụng – Nguyên lý hoạt động.
Trang 49
2. Laptop Cùng với các dữ liệu đã nhận được như: camera, cảm biến vật cản, đưa ra lệnh điều khiển xe cho Arduino Uno.
3. Motor giảm tốc 24v Tạo momen quay để dẫn động cầu sau, nhận tín hiệu từ Drive điều khiển động cơ.
4. Motor nâng hạ kính ơ tơ 12V
Tạo momen quay để đánh lái, nhận tín hiệu từ Drive điều khiển động cơ.
5. Encoder Thu thập tín hiệu số vòng quay của động cơ gửi về cho Arduino.
6. Webcam HD
Logitech C270 720P
Dùng để thu thập hình ảnh gửi về Laptop. 7. Cảm biến hồng ngoại
E3F-DS30C4
Dùng để phát hiện vật cản trước và sau xe trong khoảng từ 10cm đến 30cm.
8. Arduino Uno R3 Nhận tín hiệu của cảm biến vật cản gửi lên Laptop và điều khiển xe di chuyển theo lệnh mà Laptop gửi xuống.
9. Mạch điều khiển động cơ DC BTS7960 43A
Nhận tín hiệu của Arduino để điều khiển Motor đánh lái.
10. Mạch Opto cách ly 2 kênh PC817
Cách ly giữa mạch điều khiển công suất và mạch điều khiển tín hiệu, giảm hiện tượng bị nhiễu.
4.4.3.1 Sơ đồ nối pin
- Tấm pin năng lượng mặt trời
Trên thị trường phát triển như hiện nay có rất nhiều loại pin năng lượng mặt trời khác nhau: khác nhau về cơng suất, kích thước và quan trọng nhất là giá cả. Vì vậy cần phải lựa chọn 1 cách thích hợp trách trường hợp khơng đủ cơng suất hoặc lãng phí.
Vì vậy đây cũng là một bài tốn cần được tìm hiểu kỹ
* Tính tốn chọn cơng suất tấm pin năng lượng mặt trời
Trang 50
Bảng 4.16 Tên các thiết bị trong hệ thống
STT Tên thiết bị Số lượng
Công suất tiêu thụ cực đại (Wmax) Tổng công suất cực đại (Wmax) 1 Motor 24v 200W 1 200 200 2 Motor 12v 120W 1 120 120 3 Cảm biến vật cản hồng ngoại E3F-DS30C4 NPN 6-36V 6 0.1 0.6 4 Arduino R3 1 4.5 4.5 5 Webcam HD Logitech C270 720P 30FPS 1 4.5 4.5
Trong 1 giờ các thiết bị đã tiêu tốn công suất là:
* Ắc quy: + Bình ắc quy 24V – 15Ah cho sản sinh công suất 168 (Wh); 24*7
+ Hiệu suất bình ắc quy là 0. 75
* Động cơ điện: Ta có: + Tổng cơng suất cực đại = 200W
+ Bánh xe có đường kính 20cm
+ Xét xe di chuyển với vận tốc 5Km/h
+ Động cơ điện chạy Max cơng suất 330 (vịng/phút) + tỉ số truyền đến bánh xe 1:1.2
- Công suất truyền đến bánh xe là: 𝜄 = 𝑛2
𝑛1 ≪=≫ 1
1,2 = 𝑛2
330 =≫ 𝑛2 = 275 (vòng/phút) = 4,58 (vòng/giây) - Chu vi của bánh xe là: C = d x pi = 0,2𝜋 (m)
- Công suất xe di chuyển trong 1 phút là: P = 0,2𝜋 ∗ 4,58 = 172.8 m/phút - Công suất tiêu thụ trong 1 giờ (83.3 mét/phút),
- Công suất thực tế 𝑃Đ𝐶 = 83.3
172.8 * 200 = 94.4 (Wh);
* Động cơ lái: Động cơ chỉ hoạt động khi cần đánh lái, theo thực nghiệm động
cơ chỉ hoạt động xấp xỉ 30%.
- Công suất tiêu thụ 𝑃𝑙á𝑖 = 120*30% = 36 (Wh);
Trang 51 - Công suất tiêu thụ của Cảm biến là
𝑃𝐶𝐵 = 𝑃𝑎𝑟𝑑𝑢𝑖𝑛𝑜+ 𝑃𝑊𝑒𝑏𝑐𝑎𝑚 + 𝑃ℎồ𝑛𝑔 𝑛𝑔𝑜ạ𝑖 = 4,5 + 4,5 + 0,6 = 9.6 (Wh);
* Tổng Công suất tiêu thụ trong 1 giờ của các thiết bị: 94.4 + 36 + 9.6 = 140 (Wh);
* Thời gian xe có thể hoạt động liên tục là: - Ah = (𝑇∗𝑊)
(𝑉∗𝑝𝑓) ≪=≫ 7 = (𝑇∗140)
(24∗0.7) =≫ 𝑇 = 0.84ℎ = 50 𝑝ℎú𝑡
Bảng 4.17 Chọn Pin năng lượng mặt trời phù hợp
Trường hợp 1: Sử dụng 1 tấm pin mặt trời 100W Trường hợp 2: Sử dụng 1 tấm pin mặt trời 250W Công suất ắc quy - P = V *Ah = 24 * 7 = 168 W/h Ta có 𝑃 𝑝𝑓 = 168 0,7 = 240 𝑊/ℎ - P = V *Ah = 24 * 7 = 168 W/h Ta có 𝑃 𝑝𝑓 = 168 0,7 = 240 𝑊/ℎ Thời gian sạc đầy ắc quy 240 100 = 2,4 ℎ 240 250 = 0,96 ℎ Ưu Điểm - Phù hợp khả năng của nhóm
- Phù hợp với kích thước của xe
- Thời gian sạc nhanh chóng - Thời gian sử dụng dài hơn Nhược điểm Thời gian sạc lâu và không sử
dụng được trong thời gian dài
- Giá cả cao
=>> Nhóm đã chọn chỉ sử dụng 1 tấm pin năng lượng mặt trời 250W vì những ưu điểm trên
- Bộ sạc ắc quy:
Khối nguồn sẽ cung cấp nguồn ni tồn bộ hệ thống điện trên xe. Từ datasheet của các linh kiện và thiết bị trong sơ đồ nguyên lý, ta thấy điện áp hoạt động trên toàn mạch là 5v, 12v, 24v. Nên ta sẽ chọn nguồn là 24v gồm hai ắc quy 12v-15Ah nối tiếp nhau.
- Đối với nguồn 24v, nhóm sẽ dùng cho motor 24v – 250W.
- Đối với nguồn 12v, nhóm sẽ dùng mạch giảm áp XL4016 8A giảm từ 24v xuống 12v cung cấp cho motor điều khiển rẽ trái rẽ phải.
- Đối với nguồn 5v, nhóm sẽ dùng mạch giảm áp DC LM2596 3A giảm từ 24v xuống 5v để cung cấp cho board mạch.
Trang 52
Hình 4.15 Bộ sạc ắc quy
4.4.3.2 Laptop
Laptop được lập trình để thực hiện các nhiệm vụ sau: - Nhận dữ liệu từ camera.
- Nhận các tín hiệu của cảm biến vật cản hồng ngoại từ Arduino Uno. - Đưa lệnh điều khiển cho Arduino để cho xe từ hành hoạt động.
=>> Dựa theo yêu cầu thiết cùng với việc thuận tiện cho việc xử lý một cách dễ dàng hơn nên nhóm đã chọn Laptop làm Laptop
4.4.3.3 Arduino Uno
Trang 53 Arduino có nhiệm vụ:
- Nhận tín hiệu của cảm biến vật cản hồng ngoại gửi cho Laptop
- Nhận lệnh điều khiển từ Laptop để điều khiển khối rẽ trái phải và khối điều khiển tiến lùi.
- Trong đề tài nhóm đã chọn sử dụng vi điều khiển ATmega328, được tích hợp sẵn trong board Arduino UNO R3 thuận tiện cho việc lập trình và tiết kiệm thời gian thiết kế vì:
- Arduino hiện đang là vi điều khiển đang phát triển mạnh mẽ với cộng đồng hỗ trợ cực kỳ rộng lớn và các thư viện hỗ trợ.
-Sử dụng module Arduino dễ dàng trong việc thiết kế vì khơng phải chạy nhiều dây như dùng IC.
- Module Arduino lập trình sẽ dễ dàng hơn, đủ xử lý và giá thành hợp lý.
Trong sơ đồ điều khiển hình 4.16 chân A0, A1, A2, A3, 8, 12 được nối với chân tín hiệu của các cảm biến vật cản hồng ngoại. Chân 11 để điều khiển xe rẽ trái rẽ phải, chân 9, 10 điều khiển xe tiến lùi. Chân 5,6,7 được nối với khối manual của tay cầm và chân 2 và 3 được nối với khối encoder.
4.4.3.4 Khối cảm biến vật cản
Hình 4.17 Khối cảm biến vật cản kết nối với Arduino
Trang 54
thành đường khi xe bị mất line. Hiện nay trên thị trường có nhiều loại cảm biến vật cản khác nhau, và có thể phát hiện vật cản từ nhiều khoảng cách theo loại cảm biến vật cản. Để phù hợp với đề tài, nhóm đồ án đã quyết định chọn loại cảm biến vật cản hồng ngoại E3F-DS30C4 NPN 6-36V vì cảm biến có tín hiệu ổn định, khơng bị nhiễu, khoảng cách phát hiện vật cản từ 10 đến 30cm phù hợp với yêu cầu của nhóm.
Trong sơ đồ nguyên lý hình 4.17, các chân tín hiệu của cảm biến vật cản hồng ngoại được nối lần lượt như sau:
Bảng 4.18 Vị trí nối chân tín hiệu
Vị trí Kết nối vào chân của Arduino Uno
Trước trái A1 Trước giữa 12 Trước phải A0 Sau trái A2 Sau giữa 8 Sau phải A3 4.4.3.5 Camera Lý do chọn Camera Logitech HD 720p 30FPS: - Chất lượng hình ảnh tốt, độ ổn định cao.
- Tần số quét đủ để xử lý, khơng bị hiện tượng giật khung hình. - Tốc độ truyền tải hình ảnh khơng bị trễ (5ms).
- Góc quét Camera rộng. - Giá thành hợp lý.
Trang 55
Hình 4.18 Khối rẽ trái phải kết nối với Arduino
Để thực hiện công việc rẽ trái và rẽ phải của xe, nhóm thiết kế đã chọn motor nâng hạ kính để thực hiện cơng việc này và được điều khiển qua mạch điều khiển động cơ DC BTS7960 43A. Vị trí góc quay được xác định nhờ biến trở. Theo sơ đồ nguyên lý khối rẽ trái phải hình 4.18, thì chân điều khiển rẽ trái phải được nối với chân 11 của arduino, và để tránh tình trạng nhiễu, thì nhóm thiết kế đã thêm một mạch cách ly, để cách ly giữa tín hiệu và nguồn cơng suất.
Trang 56
Hình 4.19 Khối di chuyển tiến lùi kết nối với Arduino
Để thực hiện cơng việc tiến lùi của xe, nhóm thiết kế đã chọn motor 24V để thực hiện công việc này và cũng được điều khiển thông qua mạch điều khiển động cơ DC BTS7960 43A. Theo sơ đồ nguyên lý khối tiến lùi như hình 4.19, chân điều khiển tiến được nối với chân 9, chân điều khiển lùi nối với chân 10. Để tránh tình trạng nhiễu, thì nhóm thiết kế đã thêm một mạch cách ly, để cách ly giữa tín hiệu và nguồn cơng suất.
4.4.3.8 Khối manual
Trong q trình di chuyển xe có thể gặp các trường hợp như: xe đã chạy hết line, va chạm vào tường. Vì vậy để có thể giúp xe dừng lại thì nhóm đã chọn khối manual thơng qua tay điều khiển. Theo hình 4.20 Các chân THROTTLE, STEER, AUTO/MANUAL được nối lần lượt với chân 5, 6, 7 của arduino. Trong đó chân 5 sẽ gửi tín hiệu về arduino điều khiển xe di chuyển tiến về phía trước hoặc lùi về phía sau. Chân số 6 cũng có nhiệm vụ giống chân số 5 nhưng nó sẽ giúp sẽ rẽ trái và rẽ phải và chân số 7 sẽ gửi tín hiệu cho arduino dùng để điều chỉnh chế độ auto hoặc manual
Trang 57
Hình 4.20 Khối manual
4.4.3.9 Khối encoder
Để có thể đạt được tốc độ động cơ mong muốn và gửi tín hiệu về arduino nhóm đã chọn Encoder 100 xung 2 kênh A, B. Theo hình 4.21 chân 2 được nối với A và chân số 3 được nối với kênh 3
Hình 4.21 Khối encoder
Trang 58
Hình 4.22 Sơ đồ nguyên lý tồn mạch 1
Trang 59
Hình 4.24 Sơ đồ ngun lý tồn mạch 3
Hình 4.25 Sơ đồ ngun lý tồn mạch 4
Giải thích sơ đồ kết nối:
Hình 4.22 Hình 4.23, hình 4.24, hình 4.25 là sơ đồ ngun lý của tồn hệ thống.