Kết luận: Sử dụng cấu trúc điều khiển tầng vì nó có khả năng xử lý nhiều tác vụ cùng lúc, giảm nhẹ khối lượng tính tốn, giúp cho thời gian lấy mẫu của hệ thống nhanh hơn khi sử dụng cấu trúc tập trung. Đặc biệt cấu trúc điều khiển tầng dễ dàng điều khiển và bảo trì.
CHƯƠNG 3: SƠ ĐỒ GANTT CHO ĐỒ ÁN3.1 Sơ đồ GANTT sơ bộ 3.1 Sơ đồ GANTT sơ bộ
Nội dung Người thực
hiện 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Chương 1: TỔNG QUAN
Xác định mục tiêu đồ án Tìm hiểu tổng quan
Hiệu chỉnh tổng quan và xác định đầu bài thiết kế
Chương 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
Đề xuất phương án khả thi Vẽ sơ đồ nguyên lý
Chọn phương án khả thi và hiệu chỉnh sơ đồ nguyên lý
Chương 3: XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ GANTT Cả nhóm
Chương 4: THIẾT KẾ
1. Cơ khí
Tính chọn động cơ
Thiết kế/chọn các chi thiết/cụm chi tiết cơ khí Thiết kế bản vẽ 3D, 2D
2. Điện
Xây dựng sơ đồ khối chung hệ thống điện Lựa chọn/thiết kế cảm biến
Lựa chọn/thiết kế driver động cơ Lựa chọn/thiết kế nguồn
3. Máy tính
Xây dựng sơ đồ khối chung của hệ thống điều khiển
Xác định yêu cầu, lựa chọn bộ vi điều khiển, tìm hiểu vi điều khiển Xây dựng giải thuật điều khiển và coding hệ thống
4. Mơ phỏng
Mơ hình hóa động học/động lực học hệ thống: mobile platform, cảm biến, mạch động lực, hệ thống
Thiết kế bộ điều khiển bám line
Mơ phỏng xác định các thơng số thích hợp cho bộ điều khiển bám line
Chương 5: MÔ PHỎNG THỰC NGHIỆM
Xác định yêu cầu mô phỏng
Xác định các thông số cụ thể cần đo để đánh giá Mô phỏng/Thực nghiệm
Đánh giá số liệu
Đề xuất hiệu chỉnh thiết kế nếu có
Chương 6: HỒN THÀNH BÁO CÁO Cả nhóm
Chương 7: BẢO VỆ Cả nhóm Cả nhóm Cả nhóm Hịa Cả nhóm Ân An
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ 4.1 Thiết kế cơ:
Yêu cầu đề bài:
- Vận tốc tối đa vmax=0,7m/s.
- Kết cấu xe nhỏ gọn, chắc chắn, khơng rung lắc.
- Xe có thể qua các đoạn cong (bán kính cong R= 500mm) với vận tốc tối ưu mà xe không bị lật.
Sơ đồ nguyên lý
Hình 4.14 Sơ đồ nguyên lý thiết kế xe 3 bánh, 2 bánh trước dẫn động
4.1.1 Lựa chọn bánh chủ động và bánh bị động4.1.1.1 Bánh bị động 4.1.1.1 Bánh bị động
- Có 2 loại bánh bị động thường dùng cho xe dò line là: bánh castor, bánh mắt trâu.
Bảng 4 So sánh bánh castor và bánh mắt trâu
điểm bẩn
- Kết cấu đơn giản.
thép nên rất bền, bên trong có ổ bi nên di chuyển rất trơn tru, di chuyển linh hoạt khi vào cua
- Kết cấu nhỏ gọn.
Nhược điểm
- Khi vào cua với tốc độ nhanh, kết cấu quay của bánh xe không kịp đáp ứng dẫn đến bánh xe không quay quanh trục mà bị trượt => ảnh hưởng đến tốc độ di chuyển của xe, có thể làm xe bị lật (hiện tượng Shopping-cart [29]. - Kết cấu cồng kềnh.
- Chỉ có thể chạy trong những mơi trường ít bụi, cát vì chúng có thể bám vào bánh làm bánh bị kẹt không chạy được.
- Kết cấu phức tạp, ổ bi cần chế tạo chính xác và bảo quản.
Theo đề bài và thực tế sa bàn: Xe đua chạy trên xa bàn hầu như không bụi, vận tốc nhanh, chuyển hướng nhanh, cần kết cấu gọn nhẹ.
Kết luận: Chọn bánh mắt trâu
- Một số mẫu bánh mắt trâu:
o Chariot: Pololu Ball Caster with 3/8″ Plastic Ball [30]
Thơng số:
Đường kính bánh: 0,375 inch ≈ 10mm. Vật liệu bánh: nhựa
o Small Ball Caster Wheel - 12mm Diameter Metal – Hshop [ 31]
Thơng số
Đường kính bánh xe: 12mm. Chiều cao: 15mm
Vật liệu bánh: thép
Kết luận: Chọn bánh mắt trâu nhỏ của Hshop – phổ biến, kích thước nhỏ, khơng yêu cầu tải trọng quá lớn là bánh dẫn hướng cho robot dò line.
4.1.1.2 Bánh chủ động
- Yêu cầu:
o Khả năng bám đường tốt o Không trơn trượt
o Chịu tải ổn định
o Dễ dàng tháo lắp và thay thế.
- Các loại bánh trên thị trường thường dùng cho xe dò line:
o Dòng bánh thường: V1,2,3,4,5,6,7,8… các đặc điểm
+ V1, d = 65mm, b = 15mm: thiết kế chắc chắn, gọn nhẹ, thẩm mĩ cao, tương thích với động cơ DC giảm tốc V1, thích hợp với các mơ hình robot xe tránh vật cản, tự hành, xe cân bằng. Lõi nhựa, vỏ cao su.
+ V2, d = 65mm, b = 27mm: được sử dụng nhiều nhất trong các thiết kế robot, gắn được
với trục nhiều loại động cơ. Chất liệu: Nhựa, mút, cao su. Lớp mút dày đàn hồi bên trong rất tốt giúp bánh khơng bị xẹp khi có tải. Lốp bằng cao su mềm cho độ ma sát tốt nhất, thiết kế rãnh lốp tối ưu cho độ ma sát và bám đường.
+ V3, d = 80mm, b = 30mm, chất liệu nhựa, bên ngồi lốp có thiết kế dạng các gai giúp tăng ma sát với mặt đường.
+ V4, d = 130mm, b = 60mm, chất liệu nhựa, kích thước lớn ứng dụng cho xe mang tải cao hơn V1,V2,V3.
+ V5, d = 95mm, b = 14mm, chất liệu lõi: nhôm, lốp: cao su ma sát tốt, là sự lựa chọn tối ưu cho các thiết kế chịu tải nặng lên tới 100kg.
+ V7, d = 96mm, b = 40mm, chất liệu nhựa chất lượng cao độ bền cao, thường ứng dụng trong robot leo địa hình.
+ V8, d = 115mm, b = 52mm, chất liệu: nhựa, lõi nhựa, mút, lốp cao su cho ma sát tốt, độ bền cao.
Dòng bánh thường: V2 phù hợp với xe đua địi hỏi kích thước nhỏ gọn, tải trong thấp mà lại bám đường tốt, không bị trượt.
o Bánh đa hướng Mecanum: được tạo thành bởi các con lăn nhỏ với trục được
lắp nghiêng một góc 45 độ so với trục quay chính của bánh xe, vì vậy bánh có thể thực hiện nhiều chuyển động phức hợp theo phương pháp cộng vector: tiến lùi, xoay trịn trong khơng gian nhỏ hẹp, đặc biệt có thể di chuyển theo phương ngang khi cần thiết. Giải thuật điều khiển phức tạp.
Hình 4.17 Bánh đa hướng Mecanum D48
Hình 4.18 Bánh xe V2 của HShop
Chất liệu: nhựa, mút, cao su
Đường kính: 65 mm
Độ rộng bánh: 27 mm
Kích thước khớp trục lục giác: 12 mm
4.1.2 Tính tốn và lựa chọn động cơ
Vì hạn chế về động cơ thực nghiệm (động cơ tốt giá rất cao) nên nhóm khơng thể mua được động cơ tốt, do đó vận tốc giảm cịn 0,7m/s (đã được hiệu chỉnh).
4.1.2.1 Tính tốn động cơ
- Thơng số đầu vào:
o Kết cấu xe 3 bánh: 2 bánh dẫn động ở trước, 1 bánh mắt trâu ở sau Vận tốc tối đa mong muốn: vmax=0,7m/s
o Thời gian tăng tốc mong muốn: 1s (vận tốc tăng từ 0m/s đến 2m/s lúc xuất phát).
- Thông số đầu vào:
o Vận tốc tối đa: vmax=0,7m/s
o Gia tốc: a=0,7m/s2 o Bán kính xe: R=32,5mm
o Khối lượng bánh xe: m=0,02kg
o Khối lượng tải (giả sử): M=0,4kg
o Hệ số ma sát: μt=0,8 (lốp cao su tiếp xúc với sàn bê tông khơ ráo)[33] o Hệ số an tồn: s=1,2 [34]
- Mơ hình động học, xét trạng thái bánh xe lăn về phía trước với gia tốc dài
a=2m/s2
Hình 4.19 Mơ hình động học bánh xe
Tính tốn:
o Moment quán tính của bánh xe (xem bánh xe là đĩa trong đặc):
I=1
2m R
2(4.1)
o Giả sử tải trọng xe phân bố đều, toàn bộ lên 2 bánh xe dẫn động. Suy ra trọng lực tác dụng lên 1 bánh xe là:
o Áp dụng định luật 2 Newton:
Phương trình Moment quay quanh trục bánh xe:
T − FmsR=Iγ với: γ=a R Suy ra T=FmslR+Ia R(4.3)
Phương trình cân bằng lực theo phương thẳng đứng và từ (4.2) suy ra:
N=P=(m+M2 )g(4.4)
Phương trình lực theo phương ngang
Fmsl=(m+M
2 )a(4.5)
o Từ (4.1), (4.4), (4.5) thế vào (4.3) ta được Moment kéo động cơ bánh xe là:
T=(m+M2 )aR+12mR a(4.6)
T=(0,025+0,42 ).0,7 .0,0325+12.0,025.0,0325.0,7=0,054(Nm)
o Để bánh xe lăn không trượt khi chuyển động:
Fms≤ Fmst=μtN=μt(m+M
2 )g(4.7)
T ≤ μt(m+M2 )gR+12mRa
o Moment động cơ lớn nhất để bánh xe lăn không trượt:
Ttr=μt(m+M2 )gR+12mR a(4.8) Ttr=0,8(0,025+0,4 2 ).9,81.0,0325+12.0,025 .0,0325.0,7=0,0577(Nm) o Vận tốc góc động cơ là: ω0=vmax R (4.9) ω0=21,54(rad/s) Số vịng quay động cơ: n0=602πω=206rpm
- Hệ số an tồn cho cả tốc độ và moment: s=1,2
o Vận tốc tối đa của động cơ: ω=25,85rad/s
Số vòng quay động cơ: n=60ω
2π =247rpm
o Moment tối đa gây trượt của động cơ: Ttr=0,0692Nm
o Moment hoạt động của động cơ: T=0,055Nm
o Cơng suất của động cơ là:
P=ωT=1,4W
Hình 4.20 Động cơ GA25 280rpm và các thơng số kích thước Các thơng số kỹ thuật:
o Công suất định mức: 4W .
o Điện áp định mức: 12V .
o Dịng khi khơng tải/khi bị giữ: 0,1A/0,45A .
o Tốc độ động cơ khi không tải: 280rpm .
o Moment hoạt động/ Moment bị giữ:
0,056Nm/0,167Nm.
o Khối lượng: 104g .
o Hộp giảm tốc: tỉ số truyền 21,3:1, đã tích hợp bên trong động cơ.
o Encoder: 2 kênh A, B, số xung khi qua hộp giảm tốc là 235 xung, điện áp định mức encoder 3,3V.
o Trục động cơ: D=4mm.
(Dùng khớp nối lục giác chuyển từ 12mm (đường kính trục bánh xe) đến chốt gắn với động cơ có đường kính 4mm [36]).
- Với tốc độ lớn nhất thì moment động cơ tác dụng lên bánh xe đạt cực đại
0,0167Nm<Ttr=0,0692Nm
Bánh xe đảm bảo lăn không trượt trên toàn quỹ đạo.
4.1.3 Xét điều kiện để xe vào cua không bị trượt
Fmst≥ F¿ (xét cả xe) ⟺μt(2m+M)g≥(2m+RM)v2 0 ⟺μtg≥ vR2 0 ⟺v ≤√μtg R0=√0,8.9,81.0,5=2m/s
Xe đảm bảo không trượt khi vào cua.
4.1.4 Xét điều kiện để vào cua khơng lật
Hình 4.22 Phân tích lực gây lật khi vào cua
Gọi:
o Trọng tâm xe cách sàn 1 khoảng h.
o Khoảng cách trọng tâm xe đến tâm bánh xe theo phương ngang với a là khoảng cách tâm 2 bánh xe là:
x
2
o Trọng lượng xe P .
P . x2≥ F¿.h ⟺(2m+M)g x 2≥ (2m+M)v2 R0 h⟺ x h≥ 2v 2 g R0=9,81.0,52.22 =1,63 4.1.5 Thiết kế thân xe và các bộ phận
Q trình tính tốn các kích thước của xe được kiểm tra và thay đổi liên tục để có kết quả tốt nhất.
- Chiều dài mỗi động cơ là 75m, đặt thành hàng ngang nên khoảng cách giữa 2 bánh xe ≥ 150mm. Chọn khoảng cách tâm 2 bánh xe tối thiểu:
x=150mm
- Trọng tâm xe: xét điều kiện vào cua để không bị lật ta suy ra được quan hệ giữa khoảng cách tâm 2 bánh xe với chiều cao trọng tâm xe cách mặt đất là:
h≤ x1,63=85m
Trong các thiết kế phần tổng quan
o CartisX04: trọng tâm xe cách sàn 7mm, với đường kính bánh xe 25mm.
o Chariot: bánh tự lựa có đường kính 9,5mm nên xe cách mặt sàn > 9,5mm, bánh xe dẫn động đường kính 30mm, dựa vào kết cấu xe, ta có thể ước lượng trọng tâm xe nằm trong khoảng 10 đến 15mm cách mặt sàn.
Bánh xe sử dụng: loại V2-65mm. Bánh mắt trâu dùng loại như xe Chariot. Bố trí linh kiện sao cho trọng tâm xe nằm ở càng thấp càng tốt.
k=15mm
Suy ra trọng tâm xe nằm trong khoảng từ 15 đến 32,5mm.
Giả sử sau khi phân bố các linh liện, trọng tâm xe cách mặt sàn trong khoảng (đã tính tốn lại sau khi hồn thành sản phẩm)
h=20mm
=>Thỏa.
- Tấm thân xe: vật liệu nhôm 6061.
Kiểm tra bền bằng Solidworks Simulation, suy ra độ dày tấm thân xe (nhỏ nhất thỏa bền) là:
i=1,5mm
- Kích thước xe: phụ thuộc vào bố trí linh kiện và thiết kế nhỏ gọn nhất o Chiều dài: chọn theo việc bố trí các bộ phận (nằm ở 1 tầng thân xe)
a=180mm
o Chiều rộng: bằng khoảng cách 2 tâm bánh xe trừ đi 2 khoảng nhô ra ở 2 trục
b=138mm
o Chiều cao xe bằng đường kính bánh xe (cao nhất)
c=65mm
Khoảng cách này càng nhỏ thì xe càng ổn định [26], tuy nhiên khoảng cách này phải lớn hơn khoảng cách xe di chuyển được sau một lần lấy mẫu là, chọn
d=30mm
- Thiết kế thân xe
Bảng 5 Các kích thước cơ bản của khung thân xe
Đối tượng Thông số
Chiều dài a=180mm
Chiều rộng b=138mm
Chiều cao c=65mm
Khoảng cách từ tâm dãy cảm biến đến tâm trục
bánh dẫn động d=30mm
Khoảng cách 2 bánh xe x=150mm
Chiều cao trọng tâm xe h=20mm
Độ dày thân xe i=1,5mm
Các kích thước bánh xe dẫn động, bánh tự lựa: được nêu tại phần 4.1.1 Các kích thước động cơ: phần 4.1.2
Kích thước bộ cảm biến
o Chiều cao cảm biến so với mặt đất: 11mm. o 7 cảm biến, khoảng cách mỗi cảm biến: 13mm. o Chiều dài x chiều rộng dãy cảm biến: 90x21mm.
Model 3D xe
Hình 4.23 Model 3D xe
4.1.6 Kiểm bền tấm thân xe
Sử dụng Solidworks Simulation để kiểm tra độ bền của tấm thân xe
4.1.6.1 Phân tích tải trọng
+ Dày: 1,5mm
+ khối lượng riêng:2,7g/cm3
+ thể tích: 13300.1,5= 20000mm3 = 20cm3 => Khối lượng: 47g - Vật liệu gá: Nhôm 6061 + dày 5mm + thể tích: 600.5=3000mm3=3cm3 => Khối lượng:3.2,7=8,1g 2 tấm gá: 16g
- Khối lượng pin: 3*100=300g
- Khối lượng hộp chứa pin: 2,7(g/cm3).2,6(cm3) = 7g - Khối lượng 1 động cơ: 104g
2 động cơ: 208g - Tấm gá cảm biến: nhôm tấm 6061 + dày 0,2mm + kg riêng: 2,7g/cm3 + thể tích: 0,8cm3 => Khối lượng: 2,6g
+ kg riêng: 2,7g/cm3 + thể tích: 2 cm3
=> Khối lượng: 5,4g - Khối lượng mạch cảm biến: 50g
- Khối lượng mạch điều khiển cảm biến: 20g - Khối lượng mạch điều khiển chính: 150g
Vị trí đặt lực phân bố được thể hiện ở phần tiếp theo. Tổng trọng lượng của xe là: 800g.
4.1.6.2 Đặt lực và kết quả mơ phỏng Đặt lực
Vật liệu
Hình 4.25 Thơng số vật liệu tấm thân xe Độ bền
Chuyển vị:
Hình 4.27 Phân tích chuyển vị trên tấm thân xe
Kết luận: Chuyển vị tương đối nhỏ (< 0,3mm), vị trí gắn với đồ gá: chuyển vị sấp sỉ:
0,03mm.
4.1.7 Thiết kế đồ gá động cơ – Tính tốn dung sai
Hình 4.28 Đồ gá động cơ
Kích thước bao: 28,5x25x5. Vật liệu: Nhơm 6061.
Kiểm tra: Dung sai độ đồng tâm
4.1.7.1Tính chọn các mối lắp theo các chi tiết tiêu chuẩn
- Dung sai chốt định vị
∅30,010 0,005
Hình 4.29 Datasheet chốt định vị trụ suốt [37]
Tra bảng 1.31 trang 63 tài liệu [38] suy ra sấp sỉ mối lắp ∅3n6=∅30,0100,004
Do đó, dựa vào bảng 20.4 trang 122 tài liệu [39], chọn mối lắp có độ đồng tâm cao là H7/n6
Mối lắp trung gian H7/n6 phù hợp cho kết cấu (nếu dùng lắp lỏng thì chốt định trụ vị dễ bong ra trong quá trình vận hành, nếu dùng lắp chặt, khi siết ốc sẽ gây biến dạng thành chi
∅30,0100,000
Cấp chính xác gia cơng đồ gá là cấp 7. - Dung sai hình dáng của tấm gá:
Hình 4.30 Chọn mặt chuẩn và dung sai các mặt phụ vng góc