Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu và chế tạo phương tiện di chuyển cá nhân

Đồ án tốt nghiệp nghiên cứu và chế tạo phương tiện di chuyển cá nhân. Tài liệu gồm tính toán cơ khí, mạch điều khiển và lập trình Arduino.

• Tác giả: Phạm Ngọc Sơn
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Bá Hải
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Ô tô
• Đề tài: Nghiên cứu và Chế tạo Phương tiện Di chuyển Cá nhân
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Phương Tiện Di Chuyển Cá Nhân Walkcar

Phương tiện di chuyển cá nhân Walkcar là một giải pháp xe điện hiện đại dành cho người đi bộ trong các khu đô thị. Đây là một mô hình xe điện cá nhân được thiết kế để giải quyết vấn đề giao thông ngắn cự, nhất là trong các trung tâm thương mại và khu vực đông đúc. Walkcar kết hợp công nghệ điều khiển tiên tiến với thiết kế nhỏ gọn, dễ dàng di chuyển và bảo quản.

Đồ án chế tạo Walkcar được thực hiện bởi nhóm sinh viên Khoa Cơ Khí Động Lực, Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Dự án này lấy cảm hứng từ nhu cầu thị trường hiện nay khi các thành phố ngày càng phát triển với nhiều trung tâm thương mại và khu vực dành cho người đi bộ. Xe Walkcar không chỉ là phương tiện giao thông mà còn là biểu tượng của phong cách sống hiện đại, thân thiện với môi trường và tiết kiệm năng lượng.

1.1. Khái Niệm Phương Tiện Di Chuyển Cá Nhân

Phương tiện di chuyển cá nhân là các loại xe nhỏ, được điều khiển bằng điện, phù hợp cho một hoặc hai người sử dụng. Chúng được thiết kế với mục đích giải quyết bài toán giao thông ngắn cự trong các khu vực đô thị. Những phương tiện này có ưu điểm nổi bật như kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ năng lượng thấp, không phát sinh khí thải, dễ dàng lưu giữ và sử dụng. Walkcar thuộc nhóm phương tiện này với khả năng điều khiển thông minh.

1.2. Cơ Sở Chế Tạo Xe Walkcar

Việc chế tạo xe Walkcar dựa trên nền tảng lý thuyết động lực học ô tô, kiến thức về chuyển động học xe và các công nghệ điều khiển hiện đại. Dự án kết hợp Arduino Nano để xử lý tín hiệu, động cơ DC để cấp năng lượng, và pin lithium để lưu trữ điện. Hệ thống được thiết kế với điều khiển PWM để tối ưu hóa hiệu suất năng lượng và đảm bảo an toàn khi vận hành.

II. Ưu Điểm Và Nhược Điểm Của Xe Walkcar

Xe Walkcar mang lại nhiều lợi ích vượt trội so với các phương tiện di chuyển truyền thống. Các ưu điểm chính bao gồm tiết kiệm năng lượng, không gây ô nhiễm khí thải, dễ điều khiển và tiện lợi trong lưu giữ. Walkcar là lựa chọn lý tưởng cho những người làm việc trong các khu vực đô thị với khoảng cách di chuyển ngắn.

Tuy nhiên, dự án nghiên cứu và chế tạo phương tiện di chuyển cá nhân cũng gặp phải một số thách thức. Những hạn chế này bao gồm tốc độ di chuyển hạn chế, dung lượng pin có giới hạn, và điều kiện sử dụng phụ thuộc vào địa hình. Nhóm tinh chỉnh thiết kế để khắc phục các yếu tố này trong phiên bản thực tế.

2.1. Những Ưu Điểm Nổi Bật

Xe điện cá nhân Walkcar cung cấp nhiều lợi ích thiực tế: Thứ nhất, nó tiêu thụ ít năng lượng so với các phương tiện khác, giúp giảm chi phí vận hành. Thứ hai, không phát sinh khí thải nên thân thiện với môi trường. Thứ ba, thiết kế nhỏ gọn, dễ lưu giữ trong nhà hoặc văn phòng. Cuối cùng, dễ điều khiển nhờ hệ thống điều khiển thông minh được lập trình qua Arduino.

2.2. Những Nhược Điểm Cần Khắc Phục

Mặc dù có nhiều ưu điểm, đồ án chế tạo Walkcar vẫn tồn tại những hạn chế: Tốc độ di chuyển không cao như kỳ vọng, chỉ đạt 15-20 km/h do giới hạn của động cơ và pin. Dung lượng pin hiện tại chỉ cho phép di chuyển 10-15 km trước khi cần sạc. Địa hình gồ ghề hay dốc cao ảnh hưởng đến hiệu suất. Nhóm nghiên cứu đang tìm giải pháp cải tiến để nâng cao hiệu năng.

III. Nhu Cầu Thị Trường Và Định Hướng Phát Triển

Thị trường phương tiện di chuyển cá nhân tại Việt Nam có tiềm năng phát triển rất lớn. Với sự phát triển nhanh chóng của các thành phố, nhất là Thành phố Hồ Chí Minh, nhu cầu về xe điện cho người đi bộ ngày càng tăng cao. Các khu trung tâm thương mại, tòa nhà văn phòng, và khu đô thị hiện đại cần những giải pháp giao thông ngắn cự tiện lợi.

Đồ án nghiên cứu và chế tạo Walkcar định hướng đúng theo xu hướng phát triển bền vững của ngành ô tô. Sự ưa chuộng các phương tiện điện từ cộng đồng toàn cầu cho thấy thị trường này sẽ tiếp tục phát triển mạnh mẽ trong những năm tới. Việc thực hiện dự án này đóng góp vào sự chuyên nghiệp hóa ngành công nghiệp ô tô Việt Nam.

3.1. Phân Tích Nhu Cầu Thị Trường Hiện Nay

Nhu cầu thị trường cho phương tiện di chuyển cá nhân tăng do nhiều yếu tố: Sự gia tăng giao thông đô thị làm tăng nhu cầu các giải pháp vận chuyển ngắn cự. Ý thức bảo vệ môi trường của người dân hiện đại khiến họ ưa thích xe điện. Phong cách sống hiện đại yêu cầu các phương tiện vừa gọn nhẹ, vừa tiện lợi. Những yếu tố này tạo nên một thị trường rộng lớn cho Walkcar.

3.2. Triển Vọng Phát Triển Của Dự Án

Triển vọng phát triển của dự án Walkcar là rất tích cực. Nhóm kỹ sư đã chứng minh khả năng chế tạo và điều khiển một phương tiện điện cá nhân hoàn chỉnh. Trong tương lai, dự án có thể được cải tiến với pin dung lượng lớn hơn, động cơ mạnh hơn, và tính năng thông minh như kết nối ứng dụng di động. Đây là nền tảng tốt để phát triển sản phẩm thương mại.

IV. Phương Pháp Nghiên Cứu Và Triển Khai Thiết Kế

Phương pháp nghiên cứu cho dự án Walkcar kết hợp giữa lý thuyết và thực tiễn. Nhóm tác giả đã thực hiện xây dựng mô hình lý thuyết dựa trên các công thức động lực học ô tô, sau đó xây dựng mô hình thực tế để kiểm chứng. Quá trình triển khai thiết kế bao gồm tính toán cơ khí, lựa chọn linh kiện điện tử, và lập trình điều khiển.

Hệ thống điều khiển Walkcar sử dụng Arduino Nano với cảm biến hành trình để nhận lệnh từ người dùng, sau đó điều khiển động cơ DC thông qua Module Mosfet. Cấu trúc cơ khí được thiết kế để tối ưu hóa cân bằng và ổn định khi vận hành. Dự án này áp dụng kỹ thuật điều khiển PWM để tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng.

4.1. Tính Toán Thiết Kế Cơ Khí

Tính toán thiết kế cơ khí là bước quan trọng trong chế tạo phương tiện di chuyển cá nhân. Nhóm tính toán sức bền của khung xe, kích thước bánh xe, và trọng lượng tổng thể sao cho phù hợp. Lựa chọn động cơ dựa trên yêu cầu công suất, pin lithium được chọn với dung lượng 2000mAh để cân bằng trọng lượng và thời gian hoạt động. Các chi tiết kỹ thuật được tinh chỉnh thông qua tính toán sức bền chi tiết.

4.2. Triển Khai Phần Cứng Và Phần Mềm

Triển khai phần cứng bao gồm lắp ráp khung xe, cài đặt động cơ, lắp pin, và bộ mạch điều khiển. Phần mềm được lập trình trên Arduino IDE để điều khiển động cơ DC bằng xung PWM. Mạch Driver Mosfet được sử dụng để khuếch đại tín hiệu từ vi điều khiển. Chương trình điều khiển được test nghiệm liên tục để đảm bảo hoạt động ổn định.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KĨ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ KĨ THUẬT Ô TÔ ĐỀ TÀI:NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO PHƯƠNG TIỆN DI CHUYỂN CÁ NHÂN SVTH : PHẠM NGỌC SƠN MSSV: 14145238 SVTH : NGUYỄN TRUNG TÍNH MSSV: 14145296 GVHD: TS. NGUYỄN BÁ HẢI Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KĨ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ KĨ THUẬT Ô TÔ ĐỀ TÀI:NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO PHƯƠNG TIỆN DI CHUYỂN CÁ NHÂN SVTH : PHẠM NGỌC SƠN MSSV: 14145238 SVTH : NGUYỄN TRUNG TÍNH MSSV: 14145296 GVHD: TS. NGUYỄN BÁ HẢI Tp.

Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2018 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN. 2 DANH MỤC CÁC HÌNH. 6 TỔNG QUAN VỀ PHƢƠNG TIỆN DI CHUYỂN CÁ NHÂN .1 GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI. KHÁI QUÁT VỀ PHƢƠNG TIỆN DI CHUYỂN CÁ NHÂN .3 CƠ SỞ CHẾ TẠO XE WALKCAR .4 ƢU ĐIỂM VÀ NHƢỢC ĐIỂM CỦA XE WALKCAR .2 Nhược điểm: .5 NHU CẦU THỊ TRƢỜNG HIỆN NAY.

12 NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU ĐỒ ÁN .1 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI .2 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .1 Xây dựng mô hình lí thuyết: .2 Xây dựng mô hình thực tế:. 13 MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN XE .1 LÍ THUYẾT TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC. Cơ sở lý thuyết lực kéo động cơ ô tô .2 Cơ sở lý thuyết các đặc tính tăng tốc của ô tô .2 PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN XE. 19 TRIỂN KHAI THIẾT KẾ MÔ HÌNH .1 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ .1 Các thông số kỹ thuật của mô hình .2 Tóm tắt thiết kế .3 Tính toán sức bền .4 Tính toán chọn động cơ và loại pin cần sử dụng .2 TRIỂN KHAI VỀ PHẦN CỨNG .22 Công tắc hành trình .3 Bộ chuyển đổi điện áp LM2596 .3 TRIỂN KHAI VỀ PHẦN MỀM .1 Tổng quan về Arduino .2 Giới thiệu về Arduino Nano .3 Mạch điều khiển Arduino bằng ATmega328 .4 Điều khiển động cơ DC bằng phương pháp xung PWM .5 Mạch Driver điều khiển động cơ bằng Mosfet .4 Thiết kế chƣơng trình điều khiển .5 Các hình ảnh thực nghiệm.

48 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 50 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp hay nói cách khác đây là một mốc quan trọng của nhóm em. Đồ án đánh dấu một bước ngoặc lớn trong cuộc đời học tập sau bốn năm học tập của nhóm em tại trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh. Sau khi kết thúc việc thực hiện đồ án, mặc dù mức độ thành công của đồ án còn nhiều thiếu sót nhưng trong quá trình thực hiện, nhóm em đã được học rất nhiều kiến thức về chuyên môn cũng như thực tiễn trong cuộc sống.

Ngoài ra, đồ án đem lại cho nhóm em những bài học quý giá về vấn đề khoa học, phương pháp nghiên cứu và lĩnh vực chuyên môn mà nhóm em theo đuổi. Việc thực hiện đồ án, không chỉ riêng nhóm em tự nghiên cứu mà chúng em đã nhận được sự giúp đỡ rất nhiệt tình của quý thầy cô giáo, các anh chị cựu sinh viên và các bạn trong Khoa Cơ Khí Động Lực. Đầu tiên, nhóm em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS.Nguyễn Bá Hải - giáo viên hướng dẫn trực tiếp đồ án tốt nghiệp của nhóm em. Thầy đã tạo nguồn ý tưởng và định hướng cho em trong suốt quá trình thực hiện đồ án.

Thầy dành thời gian đọc và nhận xét về phương pháp làm, khuyến khích cho nhóm em cách làm một đồ án chuyên nghiệp, áp dụng lí thuyết vào trong thực tiễn cuộc sống. Tận tâm nhóm em xin cảm ơn Thầy Hải rất nhiều. Hơn thế nữa em xin dành lời cảm ơn đặc biệt tới tất cả các Thầy (Cô) trong Khoa Cơ Khí Động Lực - Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh vì những kiến thức khoa học trong cuộc sống. Những sự giúp đỡ, hỗ trợ tận tình đó sẽ tạo động lực cho nhóm em có cách nhìn mới hơn về khoa học trong thực tiễn cuộc sống.

Sống và làm việc một cách khoa học. 1 TÓM TẮT ĐỀ TÀI Thông qua việc tìm hiểu và phân tích thực trạng lĩnh vực xe điện cho người đi bộ. Từ phân khúc giá xe liên quan đến thu nhập và phong cách. Đề tài đã định hướng đúng đắn, trong sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô nói chung và ngành xe điện cho người đi bộ nói riêng.

Các lĩnh vực đang bị ảnh hưởng bởi sự phát triển của xã hội hiện nay. Bằng việc phân tích và nghiên cứu nhu cầu thị trường. Nhóm em nhận thấy trong sự phát triển nhanh hiện nay, với một xu hướng phát triển mạnh mẽ các trung tâm thương mại, đô thị, các làn đường lớn dành cho người đi bộ, kéo theo đó là nhu cầu đi lại tiện nghi cho người đi bộ ngày càng được ưu tiên và ưa chuộng. Thị trường xe điện cho người đi bộ có thể nói là vô cùng rộng lớn.

Đề tài nghiên cứu và chế tạo phương tiện di chuyên cá nhân lấy nguồn cảm hứng từ nhu cầu thực tế trên. Đề tài chủ yếu dựa trên lí thuyết đã có sẵn trong ngành ô tô, các kiến thức liên quan đến chuyển động học của ô tô, các chương trình điều khiển đã học như điều khiển simulink, matlap, điều khiển arduino,… để chế tạo xe điện cá nhân cho người đi bộ. Đề tài nghiên cứu và chế tạo phương tiện di chuyển cá nhân cho người đi bộ đã tạo được một mô hình thực tế có đầy đủ các tính năng cần thiết cho một người đi bộ để điều khiển. Ngoài ra, trong quá trình phát triển đề tài còn mắc nhiều hạn chế về tốc độ di chuyển giữa tính toán và thực tế.

Qua đề tài nghiên cứu nhóm em đã đưa ra một góc nhìn mới đối với ngành công nghiệp ô tô Việt Nam. Đề tài không phải chỉ nằm trong lĩnh vực ô tô mà còn liên quan đến nhiều lĩnh vực khác. 2 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 The Walkcar Hình 1.2 The Boosted Hình 1.3 The Icarbot Hình 1.4 The AirWheel Hình 1.5 The SoloWheel Hình 1.6 The EcoBoomer Hình 3.1 Động cơ đặt trước, cầu sau chủ động Hình 3.2 Trường hợp bánh xe lăn không trượt Hình 3.3 Sơ đồ lực và moment tác dụng lên ô tô khi tăng tốc trên đường nằm ngang, không kéo theo rơ-mốc Hình 3.4 Sơ đồ điều khiển cơ bản trên xe Hình 4.1 Mô hình xe walkcar Hình 4.2 Động cơ planet 60W Hình 4.3 Bộ bánh răng bên trong Hình 4.4 Cấu tạo bên trong hộp số Planet Hình 4.5 Các loại công tắc hành trình Hình 4.6 Sơ đồ nối dây Hình 4.6 Những người sáng tạo ra Arduino Hình 4.7 Công tắc hành trình kiểu nút nhấn Hình 4.8 Công tắc hành trình kiểu tế vi Hình 4.9 Công tắc hành trình kiểu đòn Hình 4.10 Mạch giảm áp LM2596 Hình 4.11 Sơ đồ khối nối dây động cơ Hình 4.12 Những người sáng tạo ra arduino Hình 4.13 Máy in 3D Makerbot điều khiển bằng arduino Mega 2560 Hình 4.14 Robot tránh vật cản di động tránh vật cản dùng Arduino nano Hình 4.15 Thiết bị bay không người lái UAV Hình 4.16 Board Arduino Nano 3 Hình 4.17 Board arduino đơn giản với Atmega328 Hình 4.18 Sơ đồ chân ATmega8A Hình 4.19 Độ rộng xung PWM Hình 4.20 Nguyên lí điều chỉnh xung Hình 4.21 Mạch tín hiệu Hình 4.22 Mạch cầu H Hình 4.23 Khối cách ly bằng OPTO Hình 4.5 micro giây trùng dẫn Hình 4.25 Quá trình lắp và gá motor Hình 4.26 Motor và bánh xe đã được gá lên xe Hình 4.27 Lắp driver vào trong hộp Hình 4.28 Mạch driver Hình 4.29 Mạch điều khiển Hình 4.30 Công tắc điều khiển Hình 4.31 Nối dây hoàn thiện Hình 4.32 Mô hình hoàn thiện Hình 4.33 Mô hình hoàn thiện 4 LỜI NÓI ĐẦU Phương tiện di chuyển hiện nay rất đa dạng và có nhiều mẫu mã nhưng đối với phương tiện di chuyển cá nhân cho người đi bộ thì còn hạn chế. Đồ án phương tiện di chuyển cá nhân cho người đi bộ là xây dựng một mô hình thử nghiệm xe điện dựa trên xe điện cân bằng.

Ý tưởng của đề tài xuất phát từ hai vấn đề cần giải quyết hiện nay. Đầu tiên chính là giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường, tắc đường. Hiện tượng tắc đường và biến đổi khí hậu hiện nay đang là vấn đề cấp bách hàng đầu ở nước ta. Theo các cuộc điều tra, ô nhiễm môi trường do tình trạng tắc đường, khí thải của các loại phương tiện di chuyển giao thông là tác nhân chính gây ra ô nhiễm không khí ở Việt Nam.

Vì thế việc sử dụng và chế tạo phương tiện sử dụng năng lượng “sạch” đang trở thành một xu hướng thiết yếu trên toàn thế giới. Mục tiêu thứ hai, đất nước ngày càng phát triển thì vui chơi giải trí trở thành một nhu cầu thiết yếu của cuộc sống. Phương tiện di chuyển cá nhân cho người đi bộ sẽ đáp ứng nhu cầu về di chuyển trong các trong tâm thương mại lớn, trong các tuyến đường đi bộ. Đề tài phương tiện di chuyển cá nhân cho người đi bộ nếu chế tạo thành công sẽ trở thành một công cụ giải trí đầy thú vị cho mọi người.

Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS. Nguyễn Bá Hải, nhóm em đã bắt tay vào triển khai đề tài “Nghiên cứu và phát triển phƣơng tiện di chuyển cá nhân”. Những định hướng quý báu của thầy TS. Nguyễn Bá Hải đã hổ trợ rất nhiều cho chúng em trong suốt quá trình thực hiện đồ án.

Do còn nhiều hạn chế về kiến thức, cũng như kinh nghiệm thực tế trong quá trình thực hiện. Đồ án chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót nhỏ. Vì thế nhóm em kính mong nhận được những lời nhận xét, đánh giá và góp ý của quý thầy cô để nhóm em khắc phục và hoàn thiện tạo ra sản phẩm hoàn thiện hơn. 5 CHƢƠNG 01 TỔNG QUAN VỀ PHƢƠNG TIỆN DI CHUYỂN CÁ NHÂN 1.1 GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI Đồ án xuất phát từ bình luận của Huyền thoại Steve Jobs về các dòng xe điện di chuyển cho cá nhân này rằng: "Dự án này có ý nghĩa lớn giống như sự ra đời của PC".

Nói một cách khái quát các phương tiện di chuyển cá nhân hiện nay đang có xu thế lớn đi kèm với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và nhu cầu đi lại thiết yếu của con người trên các tuyến đường đi bộ và các trung tâm thương mại.