B. Nguyên lý hoạt động của mạch [3]:
Khi tác động công tắc thắng (bóp tay thắng), tín hiệu điều khiển đóng ngắt transistor C828 đồng thời cho phép tín hiệu vào vi điều khiển xử lý và ra lệnh cho cơ cấu chấp hành hoạt động.
Việc bóp, nhả thắng cũng là một khâu quan trọng trong quy trình khởi động xe lăn điện, đồng thời thắng hoạt động tốt hay không ảnh hưởng đến sự an toàn cho người sử dụng. Do vậy cần lưu ý và kiểm tra kĩ thắng trước khi vận hành xe lăn điện.
Khi chưa bóp thắng, cực B của transistor C828 ở mức 0, do vậy trasistor Q2 khơng dẫn. Khi bóp thắng, cực B của Q2 ở mức 1 do vậy Q2 dẫn, đồng thời đưa tín hiệu áp vào PIC 16F876A đề xuất tín hiệu điều khiển.
47
4.9.2.7 Mạch tạo tính hiệu từ Hall_Sensor.
Sơ đồ mạch:
Hình 4.19: Mạch tạo tín hiệu từ Hall_Sensor [3]. 4.9.2.8 Mạch tạo nguồn.
A. Sơ đồ mạch:
48 B. Nguyên lý hoạt động của mạch [3]:
- Nguồn 36 V cung cấp cho động cơ là nguồn có cơng suất lớn, giá trị điện áp 63n định và có dịng định mức cao(trong đề tài này chọn bình acquy có dịng định mức là 5 A), do vậy mạch nguồn cũng phải ổn định.
- R1 là điện trở cơng suất có khả năng chịu dịng lớn, thích hợp với việc thiết kế nguồn có dịng cao , chọn R1 = 100 Ω /10 W.
- D1 là diode Zenner 12 V đóng vai trị ồn áp và tạo nguồn 12 V cho mạch. D1 dẫn bão hòa nếu dịng qua nó lớn hơn định mức (Iz max = 0,45 A)
- Ta chọn R3 = (36 V – 12 V*2)/ 0,45 = 2K2
- Tụ C1 và C2 đóng vai trị lọc áp DC để điện áp ngõ ra được phẳng.
- R2 là điện trở cơng suất kết hợp với cuộn L1 có tác dụng ổn định dịng, theo thơ số tính tóan của mạch, ta chọn R2 = 33 Ω /3 W.
- Nguồn 12 V qua ổn áp 7805 tạo nguồn 5 V cung cấp cho mạch.
4.10 Thiết kế chương trình điều khiển.
a. Xây dựng bài tốn lập trình.
Sau khi 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. Sau đó chọn một trong hai chế độ thì việc cịn lại là ra lệnh cho xe di chuyển đến các vị trí.
Ngơn ngữ lập trình nhóm sử dụng là lập trình bằng ngơn 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.
49
50 - 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:
• Tn thủ chặt chẽ thuật tốn đã đề ra trước đó, chương trình theo đúng và đủ các bước trong thuật tốn.
• 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 tốn PID.
51 c. Code nạp cho PIC16F876 [3]:
#include <xc.h>
#define _XTAL_FREQ 20000000 void ADC_Initialize()
{
ADCON0 = 0b01000001; //ADC ON and Fosc/16 is selected ADCON1 = 0b11000000; // Internal reference voltage is selected }
unsigned int ADC_Read(unsigned char channel) {
ADCON0 &= 0x11000101; //Clearing the Channel Selection Bits ADCON0 |= channel<<3; //Setting the required Bits
__delay_ms(2); //Acquisition time to charge hold capacitor GO_nDONE = 1; //Initializes A/D Conversion
while(GO_nDONE); //Wait for A/D Conversion to complete return ((ADRESH<<8)+ADRESL); //Returns Result
}
void main() {
//*****I/O Configuration****//
TRISC=0X00; //PORT C is used as output ports PORTC=0X00; //MAke all pins low
TRISB0=1; //RB0 is used as input //***End of I/O configuration**///
ADC_Initialize(); //Configure the ADC module while(1)
{
int joy_X = (ADC_Read(0)); //Read the X-Axis of joystick int joy_Y = (ADC_Read(1)); //Read the Y-Axis of Joystick
if (joy_X < 200) //Joy moved up {RC0=0; RC1=1;} //Glow upper LED else if (joy_X > 800) //Joy moved down {RC0=1; RC1=0;} //Glow Lower LED else //If not moved
{RC0=0; RC1=0;} //Turn off both led
52 {RC2=0; RC3=1;} //Glow left LED else if (joy_Y > 800) //Joy moved Right {RC2=1; RC3=0;} //Glow Right LED else //If not moved
{RC2=0; RC3=0;} //Turn off both LED if (RB0==1) //If Joy is pressed
RC4=1; //Glow middle LED else
RC4=0; //OFF middle LED }
53
4.11 Tính tốn thiết kế.
4.11.1 Các thơng số của xe lăn điều khiển đa hướng trên mọi địa hình.
➢ Khối lượng của xe: M = 187,5 kg.
➢ Trọng lượng của xe: G = 100×9.81 = 1839 N.
➢ Vận tốc lớn nhất: Vmax = 26 (km/h) = 7,22 m/s.
➢ Bán kính bánh xe sau: Rs = 300 mm.
➢ Bán kính bánh xe trước: Rt = 100 mm.
➢ Kích thước xe : 1450 x 1000 x 1150 mm ( dài x rộng x cao ).
➢ Góc dốc tối đa của mặt đường : α = 15°.
➢ Khối lượng riêng của khơng khí : p = 1,25 kg/m³.
➢ Hệ số cản gió : Cₓ = 0.3 Ns²/m^4.
➢ Hệ số cản lăn : fr = 0.01.
Lực kéo tiếp tuyến Fk = Ff + Fi + Fw + Fj
- Ff : Lực cản lăn.
- Fi : Lực cản lên dốc.
- Fw : Lực cản gió.
- Fj : Lực cản qn tính.
Vì xe chuyển động đều nên Fj = 0, xe chuyển động với tốc độ chậm nên Fw = 0.
4.11.2 Thiết kế khung xe lăn. 4.11.2.1 Tìm tọa độ trọng tâm. 4.11.2.1 Tìm tọa độ trọng tâm. Trọng lượng dự tính của : • Người: 100 kg = 981 N. • Bình: 12 kg = 118 N. • Motor: 12.5 kg = 123 N. • Xe: 63 kg = 618 N.
54
Hình 4.23: Vị trí các chi tiết trên xe Tính tọa độ trọng tâm theo chiều cao.
a. Tính tọa độ trong tâm theo chiều cao:
55
- Trọng tâm của acquy đặt tại A.
- Trọng tâm của xe đặt tại B.
- Gọi C là điểm đặt lực tại trọng tâm của cả xe (bao gồm : người, bình, motor, xe).
- Trọng tâm của người đặt tại D.
- Trọng tâm của motor đặt tại E.
Ta thực hiện phương pháp dời lực để tính tọa độ trọng tâm của xe:
Hình 4.25: Mơ phỏng lực theo chiều cao.
- Gọi x (mm) là khoảng cách từ trọng tâm của cả xe tới trọng tâm của xe.
- EF là khoảng cách từ motor tới mặt đất. Khi đó ta có:
Xét momen tại C, ta có :
mc = 58( 100+ y) + 118(80+ y) +118y - 687 (200 - y) = 0 981y = 122160
y = 125 mm
56 b. Tính tọa độ trọng tâm theo chiều ngang:
Hình 4.26: Lực phân bố trên xe theo chiều ngang.
- Trọng tâm của ắc quy đặt tại A.
- Trọng tâm của xe đặt tại B.
- Gọi C là điểm đặt lực tại trọng tâm của cả xe (bao gồm : người, bình, motor, xe).
- Trọng tâm của người đặt tại D.
- Trọng tâm của motor đặt tại E.
Ta thực hiện phương pháp dời lực để tính tọa độ trọng tâm của xe:
57
- Gọi x (mm) là khoảng cách từ trọng tâm của cả xe tới trọng tâm của người. Khi đó ta có: Xét momen tại C, ta có : mᴄ = 118( 180+ x) + 118 (40 - x) – 687x – 58 (220 - x) = 0 981x = 13200 x = 13 mm
Hình 4.28: Sơ đồ các lực và mômen tác dụng lên ô tô [4].
Ta có:
➢ Chiều dài cơ sở của xe lăn: L = 500 (mm) Vậy - La = 267 mm
- Lb = 233 mm
4.11.2.2 Tìm phản lực pháp tuyến.
58
Qua việc lấy momen lần lượt đối với điểm O2, O1 (O1, O2 là giao điểm của mặt đường với mặt phẳng thẳng đứng qua trục của bánh xe cầu trước, cầu sau):
Z1 = [G × cosα (Lb – f ×Rt) – (G×sinα +Fj+Fw)hg] / L
= [1839 × cos15 (233 – 0.01 ×70) – 1839×sin15×525] / 500 = 326 N
Z2 = [G × cosα (La + f ×Rs) + (G×sinα +Fj+Fw)hg] / L
= [1839 × cos15 (267 +0.01 ×300) + 1839×sin15×525] / 500 = 1459 N
4.11.2.3 Thiết kế khung.
Khi thiết kế xe lăn các kích thước được lấy dựa theo kích thước trung bình của cơ thể con người, do đó nhất thiết phải đảm bảo các điều kiện sau:
• Bề rộng (nhìn thẳng từ mặt người sử dụng).
• Về ngang (nhìn từ bên hơng người sử dụng).
• Chiều cao (từ đất đến sàn, từ sàn đến tỳ tay, từ mặt sàn đến phần tựa lưng).
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 khơng 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 q trình tính tốn 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).
59
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), mặt 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 4.29: Mơ hình xe lăn [1].
Mặt khác do đại hình, đoạn đường đi rất khác nhau do đó trong q trình tính khung khoảng cách giữa các trục phải đảm bảo xe khơng bị lật, đổ trong q trình sử dụng trên những đoạn đường dốc và nghiêng, do đó trang q trình tính tốn 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].
Chọn vật liệu chế tạo khung xe lăn: - Thép hộp C45 30 x 30 mm dày 3 mm.
60
Hình 4.30: Bản vẽ Khung Xe Lăn.
Hình 4.31: Khung xe lăn điện.
61
4.11.3 Tính tốn và chọn motor.
( Vì xe chuyển động đều nên lực qn tính Fj = 0, chuyển động với tốc độ chậm nên lực cản gió Fw = 0)
• Hệ số phân bố tải trọng ở hai bánh trước : n1 = Z1/ G = 326/1839 = 0.2
• Hệ số phân bố tải trọng ở hai bánh sau : n2 = Z2/G = 1459/1839 = 0.79
• Phương trình cân bằng lực cản : Fc = Ff + Fi
= G ( f× cosα + sinα)
= 1839 (0.01×cos15 + sin 15) = 494 N
- Lực kéo cần để kéo hai bánh sau là :
Fk = Fc × n2
= 494 × 0.79 = 390 N
Vậy lực kéo trên mỗi bánh xe sau là:
Fkp = Fkt = Fk/ 2 = 195 N
• Cơng suất của motor để kéo một bánh xe là : Pp = Fkp × v = 104 × 1.67 = 325 W
( với vận tốc v = 6km/h = 1.67 m/s) Vậy chọn motor có cơng suất 330 W.
Ta chọn motor: CIROLLA mã 5006 của Trung Quốc [5].
- Điện Áp: 24 Vol.
- Công Suất: 320 W.
- Hộp Giảm Tốc 1/20.
- Bánh Răng: Đông Hợp Kim Chống Ồn.
- Vỏ Động Cơ : Thép.
- Vỏ Hộp Giảm Tốc: Nhôm.
- Trục Xe: 20 mm.
62
- Hãng SX: Trung Quốc.
Hình 4.32: CIROLLA mã 5006 [5]
4.11.4 Xi lanh điện.
Xi lanh điện 12 V sử đụng điện áp 12 VDC, ở hai đầu có 2 cơng tắt hành trình để giới hạn chuyển động [6].
Điều kiện tính tốn vị trí lắp đặt thích hợp [6]: M1 > M2 = F1.d1 > F2.d2 [6].
63
Vị trí lắp cho cách tay đòn d1 đủ lớn để tạo ra momen lực thắng được moment ở phương phẳng ngược lại.
Hình 4.34: Góc xi lanh mở [6]. 4.11.5 Năng lượng tái tạo. 4.11.5 Năng lượng tái tạo.
4.11.5.1 Khái niệm.
Trong cách nói thơng thường, năng lượng tái tạo được hiểu là những nguồn năng lượng hay những phương pháp khai thác năng lượng mà nếu đo bằng các chuẩn mực của con người thì là vơ hạn. Vơ hạn có hai nghĩa: Hoặc là năng lượng tồn tại nhiều đến mức mà khơng thể trở thành cạn kiệt vì sự sử dụng của con người (thí dụ như năng lượng Mặt Trời) hoặc là năng lượng tự tái tạo trong thời gian
ngắn và liên tục (thí dụ như năng lượng sinh khối) trong các quy trình cịn diễn tiến trong một thời gian dài trên Trái Đất [1].
Theo ý nghĩa về vật lý, năng lượng không được tái tạo mà trước tiên là do Mặt Trời mang lại và được biến đổi thành các dạng năng lượng hay các vật mang năng lượng khác nhau. Tùy theo trường hợp mà năng lượng này được sử dụng ngay tức khắc hay được tạm thời dự trữ.
Các dạng năng lượng tái tạo[1]:
• Năng lượng mặt trời.
64
• Năng lượng mặt trời.
• Năng lượng thủy điện.
• Năng lượng gió.
• Nhiên liệu sinh học.
• Năng lượng sinh khối.
Vậy trong xe lăn điện điều khiển đa hướng trên mọi điện hình. Chọn năng lượng mặt trời là năng lượng tái tạo cho xe lăn điều khiển để kéo dài thời gian hoạt động.
4.11.5.2 Pin năng lượng mặt trời.
Năng lượng mặt trời là bức xạ ánh sáng và nhiệt từ mặt trời được con người khai thác và lưu trữ và chuyển đổi thành điện năng thông qua Tấm Pin Năng Lượng Mặt Trời. Đây là nguồn năng lượng gần như vô tận [1].
Năng lượng mặt trời gần như khơng có ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường, là một nguồn nguyên liệu sạch, thân thiện, góp phần bảo vệ mơi trường và giảm thiểu hiệu ứng nhà kính [1].
65
Loại pin mặt trời Ưu điểm Nhược điểm
Mono ( đơn tinh thể)
Hiệu suất cao nhất. Giá thành cao.
Poly ( đa tinh thể) Hiệu suất cao, giá thành phải chăng.
Hiệu suất/ hiệu quả thấp hơn Mono.
Thin-film (màng mỏng)
Trọng lượng nhẹ, linh hoạt. Hiệu suất/ hiệu quả thấp nhất
Bảng 4.2: Bản so sánh ưu/ nhược điểm của các loại pin năng lượng.
Với kích thước trên xe lăn có phần hạn chế, nên những tấm pin năng lượng mặt trời, chọn loại pin mặt trời mono cho diện tích nhỏ, nhưng hiệu suất cao nhất, để sản sinh năng lượng tái tạo kéo dài thời gian cho xe lăn điều khiển có quẵng đường hoạt động dài nhất.
66
Thông số kỹ thuật [7]:
Bảng 4.3: Bản thông số pin năng lượng mặt trời [7].
4.11.5.3 Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời tự động.
Hình 4.37: Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời tự động [7].
Loại Mono
Công suất cực đại (Wp) 100 W
Điện áp làm việc tại công suất cực đại (V) 18 V
Dòng điện cực đại (A) 5.56 A
Điện áp hở mạch (V) 21.24 V
Dịng điện ngắn mạch 6.22 A
Kích thước (mm) 870 x 518 x 35 mm ( d x r x c )
67
1. Bộ điều khiển sử dụng chế độ sạc PWM có thể kéo dài tuổi thọ của pin và cải thiện hiệu suất của hệ thống.
2. Có chức năng bù nhiệt độ, bộ sạc có thể điều chỉnh các thông số sạc và xả tự động.
3. Có chức năng bảo vệ quá nạp, xả quá sâu, bảo vệ quá tải, bảo vệ ngắn mạch.