Đồ án: tốt nghiệp thiết kế chế tạo mô hình đo độ rơ vô lăng tự động

Tìm hiểu đồ án tốt nghiệp về thiết kế chế tạo mô hình đo độ rơ vô lăng tự động. Khám phá quy trình thiết kế, chế tạo và ứng dụng thực tế.

• Tác giả: Đào Phú Cường
• Người hướng dẫn: Lê Quang Vũ
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tô
• Đề tài: Thiết Kế Chế Tạo Mô Hình Đo Độ Rơ Vô Lăng Tự Động
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Đồ Án Thiết Kế Chế Tạo Mô Hình Đo Độ Rơ Vô Lăng

Thiết kế chế tạo mô hình đo độ rơ vô lăng tự động là một đồ án tốt nghiệp quan trọng trong lĩnh vực công nghệ kỹ thuật ô tô. Đề tài này được thực hiện tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, Khoa Cơ Khí Động Lực, với mục đích nghiên cứu và áp dụng phương pháp đo độ rơ vô lăng hiện đại vào thực tế. Mô hình được phát triển nhằm tự động hóa quy trình kiểm tra tại các trạm đăng kiểm ô tô, giúp nâng cao hiệu suất và độ chính xác của công tác kiểm định. Đồ án kéo dài từ tháng 3 đến tháng 7 năm 2018, được thực hiện bởi hai sinh viên dưới hướng dẫn của thạc sĩ Lê Quang Vũ. Kết quả đạt được là một mô hình đo độ rơ vô lăng tự động hoàn chỉnh, có khả năng ứng dụng trong thực tế kiểm tra xe cơ giới.

1.1. Mục Đích và Ý Nghĩa của Đề Tài

Mục đích chính của đồ án thiết kế mô hình đo độ rơ vô lăng là tìm hiểu kỹ lưỡng về các phương pháp đo độ rơ vô lăng hiện nay và lập trình vi xử lý để thực hiện đo độ rơ vô lăng tự động. Ý nghĩa thực tiễn của dự án nằm ở việc giảm sai số trong quá trình đo lường, tăng tốc độ kiểm tra, và cải thiện an toàn giao thông bằng cách phát hiện sớm các sự cố liên quan đến hệ thống lái.

1.2. Phạm Vi Ứng Dụng Thực Tế

Mô hình đo độ rơ vô lăng tự động có thể được áp dụng rộng rãi tại các trạm đăng kiểm ô tô trên toàn quốc. Hệ thống giúp các kỹ thuật viên thực hiện kiểm tra một cách khoa học, khách quan và hiệu quả hơn. Ngoài ra, mô hình còn có tiềm năng phát triển thêm trong các nhà máy sản xuất ô tô để kiểm tra chất lượng vô lăng trong quy trình sản xuất.

II. Các Thành Phần Kỹ Thuật của Hệ Thống

Hệ thống mô hình đo độ rơ vô lăng tự động được xây dựng dựa trên các linh kiện điện tử hiện đại và cơ cấu cơ khí chính xác. Các thành phần chính bao gồm board Arduino Nano làm vi điều khiển chính, module cầu H VNH2SP30 để điều khiển động cơ, cảm biến laser ToF VL53L0X để đo khoảng cách, và incremental rotary encoder để phát hiện chuyển động. Ngoài ra, hệ thống còn được trang bị màn hình LCD 20x4 để hiển thị kết quả đo lường. Các component được lựa chọn sao cho đảm bảo độ chính xác cao và khả năng hoạt động ổn định trong các điều kiện khác nhau.

2.1. Hệ Thống Vi Điều Khiển Arduino

Arduino Nano là bộ vi xử lý nhỏ gọn, mạnh mẽ được sử dụng làm tâm của hệ thống. Nó có khả năng xử lý dữ liệu từ nhiều cảm biến đồng thời và điều khiển các thiết bị ngoại vi một cách hiệu quả. Lập trình cho Arduino được thực hiện bằng Arduino IDE với ngôn ngữ C/C++.

2.2. Cảm Biến và Thiết Bị Đo Lường

Cảm biến laser ToF VL53L0X có độ chính xác cao trong đo khoảng cách của vô lăng. Incremental rotary encoder giúp phát hiện chuyển động quay của vô lăng với độ phân giải cao. Module LCD I2C hiển thị kết quả đo lường một cách rõ ràng, giúp người sử dụng dễ dàng quan sát dữ liệu.

III. Thiết Kế Cơ Cấu Cơ Khí của Mô Hình

Cơ cấu cơ khí của mô hình đo độ rơ vô lăng tự động được thiết kế với sự kỹ lưỡng để đảm bảo độ chính xác cao và tính bền vững trong quá trình sử dụng. Hệ thống gồm ba phần chính: giá đỡ chính để cố định vô lăng, cơ cấu quay để tạo chuyển động quay theo các góc xác định, và giá đỡ cảm biến để đo lường khoảng cách chính xác. Thiết kế được hoàn thiện bằng phần mềm CAD chuyên nghiệp, sau đó được chế tạo từ các vật liệu chất lượng cao như thép và nhôm. Quá trình chế tạo cơ cấu sử dụng các thiết bị xưởng hiện đại như máy hàn, máy cắt CNC để đảm bảo độ chính xác và chất lượng của sản phẩm.

3.1. Thiết Kế Giá Đỡ Chính và Cơ Cấu Quay

Giá đỡ chính được thiết kế để cố định vô lăng ôtô một cách an toàn và chắc chắn. Cơ cấu quay được điều khiển bởi động cơ điện một chiều, cho phép vô lăng quay với độ chính xác góc cao. Các chi tiết được gia công chính xác để giảm thiểu sai số hình học.

3.2. Hệ Thống Đo Lường và Ghi Nhận Dữ Liệu

Giá đỡ cảm biến được bố trí tối ưu để đo độ rơ vô lăng ở các vị trí khác nhau. Incremental rotary encoder được tích hợp để ghi nhận chuyển động của vô lăng. Hệ thống lưu trữ dữ liệu tự động ghi lại tất cả các kết quả đo lường để phân tích độ tin cậy.

IV. Kết Quả Thực Nghiệm và Ứng Dụng Thực Tế

Sau quá trình chế tạo và lắp đặt hệ thống, nhóm đã tiến hành thực nghiệm trên nhiều loại xe khác nhau để đánh giá hiệu suất của mô hình đo độ rơ vô lăng tự động. Các xe thử nghiệm bao gồm Toyota Vios và Mercedes ML350 với nhiều màu sắc khác nhau. Kết quả cho thấy mô hình đạt độ chính xác tương đối cao với sai số nhất định có thể chấp nhận được trong thực tế đăng kiểm. Hệ thống sử dụng phương pháp thống kê để xác định độ tin cậy bằng cách tính phương sai và độ lệch chuẩn từ nhiều lần đo lặp lại. Mô hình vẫn còn tiềm năng phát triển thêm để nâng cao độ chính xác và ứng dụng rộng rãi tại các trạm đăng kiểm ô tô toàn quốc.

4.1. Quá Trình Lắp Đặt và Kiểm Tra Hệ Thống

Thử nghiệm các linh kiện được thực hiện riêng lẻ trước khi tích hợp toàn bộ hệ thống. Mạch điện được kiểm tra để đảm bảo không có lỗi kỹ thuật. Hiệu chỉnh và cộng dồn được thực hiện để loại bỏ sai số hệ thống trong quá trình đo lường.

4.2. Đánh Giá Độ Tin Cậy và Khuyến Nghị Phát Triển

Độ tin cậy của hệ thống được xác định thông qua tính toán thống kê từ các kết quả đo nhiều lần. Nhóm khuyến nghị tiếp tục cải tiến kỹ thuật và tối ưu hóa thuật toán để tăng độ chính xác và sẵn sàng ứng dụng tại các trạm đăng kiểm ô tô chuyên nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1. Giới thiệu chung về Adruino Arduino thực sự đã gây sóng gió trên thị trường người dùng DIY (là những người tự chế ra sản phẩm của mình) trên toàn thế giới trong vài năm gần đây, gần giống với những gì Apple đã làm được trên thị trường thiết bị di động, số lượng người dùng cực lớn và đa dạng với trình độ trải rộng từ bậc phổ thông lên đến đại học đã làm cho ngay cả những người tạo ra chúng phải ngạc nhiên về mức độ phổ biến. Arduino là gì mà có thể khiến ngay cả những sinh viên và nhà nghiên cứu tại cảc trường đại học danh tiếng như MIT, Staniord, Camegie Mellon phải sử dụng; hoặc ngay cả Google cũng muốn hỗ trợ khi cho ra đời bộ kit Arduino Mega ADK dùng để phát triển các ứng dụng Android tương tác với cảm biến và các thiết bị khác? Arduino thật ra là một bo mạch vi xử lý được dùng để lập trình tương tác với các thiết bị phần cứng như cảm biến, động cơ, đèn hoặc các thiết bị khác.

Đặc điểm nổi bật của Arduino là môi trường phát triển ứng dụng cực kỳ dễ sử dụng, với một ngôn ngữ lập trình có thể học một cách nhanh chóng ngay cả với người ít am hiểu về điện tử và lập trình. Và điều làm nên hiện tượng Arduino chính là mức giá rất thấp và tính chất nguồn mở từ phần cứng tới phần mềm. Chỉ với khoảng $30, người dùng đã có thể sở hữu một board Arduino có 20 ngõ I/O có thể tương tác và điều khiển chừng ấy thiết bị. Arduino ra đời tại thị trấn Ivrea thuộc nước Ý và được đặt theo tên một vị vua vào thế kỷ thứ 9 là King Arđuin.

Arduino chính thức được đưa ra giới thiệu vào năm 2005 như là một công cụ khiêm tốn dành cho các sinh viên của giáo sư Massimo Ranzi, là một trong những người phát triển Arduino, tại trường Interaction Design Instistute Ivrea (IDII). Mặc dù hầu như không được tiếp thị gì cả, tín tức về Arduino vẫn lan truyền với tốc độ chóng mặt nhờ những lời truyền miệng tốt đẹp của những người dùng đầu tiên. Hiện nay Arduino nổi tiếng tới nỗi có người tìm đến thị trấn Ivrea chỉ để tham quan nơi đã sản sinh ra Arduino. Giới thiệu về board Arduino Nano Board Arduino Nano có cấu tạo, số lượng chân vào ra là tương tự như board Arduino Uno tuy nhiên đã được tối giản về kích thước cho tiện sử dụng hơn.

Do được tối giản rất 1-5 nhiều về kích thước nên Adruino Nano chỉ được nạp code và cung cấp điện bằng duy nhất 1 cổng mini USB. Board Adruino Nano Bảng 1.1: Thông số kỹ thuật của mạch Arduino Uno R3 Vi điều khiển ATmega328 (họ 8bit) Điện áp hoạt động 5V – DC Tần số hoạt động 16 MHz Dòng tiêu thụ 30mA Điện áp vào khuyên dùng 7-12V – DC Điện áp vào giới hạn 6-20V – DC Số chân Digital I/O 14 (6 chân PWM) Số chân Analog 8 (độ phân giải 10bit) Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 40 mA Dòng ra tối đa (5V) 500 mA Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA 1-6 Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328) với 2KB dùng bởi bootloader SRAM 2 KB (ATmega328) Kích thước 1. Giới thiệu module cầu H VNH2SP30 30A 1. Mạch cầu H là gì ? Xét một cách tổng quát, mạch cầu H là một mạch gồm 4 "công tắc" được mắc theo hình chữ H, giúp đảo chiều dòng điện qua một đối tượng, ở đây đối tượng được nói tới là động cơ điện một chiều.

Mạch cầu H Nguyên lý cơ bản của mạch cầu H: Để motor DC quay theo chiều thuận, ta đóng công tắc 2 và 4, khi đó dòng điện đi từ cực dương ắc qui qua công tắc 2 đến motor DC rồi qua công tắc 4 trở về cực âm ắc qui. Để motor DC quay ngược lại, ta đóng công tắc 1 và 3, khi đó dòng điện đi từ cực dương ắc qui qua công tắc 3 đến motor DC rồi qua công tắc 1 trở về cực âm ắc qui. Nguyên lý cơ bản mạch cầu H 1. Mạch cầu H sử dụng rờ le Rờ le là một dạng “công tắc” (switch) cơ điện.

Gọi là công tắc cơ điện vì chúng gồm các tiếp điểm cơ được điều khiển đóng mở bằng dòng điện. Với khả năng đóng mở các tiếp điểm, rờ le đúng là một lựa chọn tốt để làm khóa cho mạch cầu H. Thêm nữa chúng lại được điều khiển bằng tín hiệu điện, nghĩa là chúng ta có thể dùng Arduino (hay bất kỳ chip điều khiển nào) để điều khiển rờ le, qua đó điều khiển mạch cầu H. Hãy quan sát cấu tạo và hình dáng của một loại rờ le thông dụng trong hình 2.

Cấu tạo của rờ le Hình 2.4 mô tả cấu tạo của một rờ le 2 tiếp điểm. Có 3 cực trên rờ le này. Cực C gọi là cực chung (Common), cực NC là tiếp điểm thường đóng (Normal Closed) và NO là tiếp điểm thường mở (Normal Open). Trong điều kiện bình thường, khi rờ le không hoạt động, do lực kéo của lò xo bên trái thanh nam châm sẽ tiếp xúc với tiếp điểm NC tạo thành một kết nối giữa C và NC, chính vì thế NC được gọi là tiếp điểm thường đóng.

Khi một điện áp được áp vào cuộn dây của nam châm điện, nam châm điện tạo ra một lực từ kéo thanh nam 1-8 châm xuống, lúc này thanh nam châm không tiếp xúc với tiếp điểm NC nữa mà chuyển sang tiếp xúc với tiếp điểm NO tạo thành một kết nối giữa C và NO. Hoạt động này tương tự 1 công tắc chuyển được điều khiển bởi điện áp kích nam châm điện. Một đặc điểm rất quan trọng trong cách hoạt động “đóng – mở” của rờ le là tính “cách li”. Hai đường kích nam châm điện hoàn toàn cách li với các tiếp điểm của rờ le, và vì thế sẽ rất an toàn.

Có 2 thông số quan trọng cho một rờ le là điện áp kích nam châm điện và dòng lớn nhất mà các điểm điểm chịu được. Điện áp kích nam châm điện thường là 5V, 12V hoặc 24V, việc kích nam châm điện chính là công việc của chip điều khiển. Vì tiếp xúc giữa cực C và các tiếp điểm là dạng tiếp xúc tạm thời, không cố định nên rất dễ bị hở mạch. Nếu dòng điện qua tiếp điểm quá lớn, nhiệt có thể sinh ra lớn và làm hở tiếp xúc.

Vì thế chúng ta cần tính toán dòng điện tối đa trong ứng dụng của mình để chọn rờ le phù hợp. Mạch cầu H sử dụng rờ le Trên hình 2.5, các đường kích nam châm điện không được nối trực tiếp vào vi điều khiển mà thông qua hai transitor Q1, Q2. Khi vi điều khiển kích điện áp cho Q1 dẫn làm nam châm điện RL1 được nối cực âm, tạo ra lực từ hút tiếp điểm về vị trí thường mở, dòng điện đi từ cực dương qua motor DC. Khi vi điều khiển kích điện áp cho Q2 dẫn làm nam châm điện RL2 được nôi cực âm, tạo ra lực từ hút tiếp điểm về bị trí thưởng mở, dòng điện đi từ cực dương qua motor DC theo chiều ngược lại.

Mạch cầu H dùng rờ le có ưu điểm là dễ chế tạo, 1-9 chịu dòng cao, đặc biệt nếu thay rờ le bằng các linh kiện tương đương như contactor, dòng điện tải có thể lên đến hàng trăm ampere. Tuy nhiên, do là thiết bị “cơ khí” nên tốc độ đóng/mở của rờ le rất chậm, nếu đóng mở quá nhanh có thể dẫn đến hiện tượng “dính” tiếp điểm và hư hỏng. Module cầu H VNH2SP30 Hình 1. Sơ đồ mạch điện module cầu H VNH2SP30 Thông số kỹ thuật: • Điện áp hoạt động : 5.5 - 16VDC • Dòng đỉnh : 30A • Dòng liên tục : 14A • Current sense ( chân đo dòng ) : có thể kết nối chân Analog của Arduino để đo • Trở kháng nội của MOSFET : 19mΩ • Tần số băm xung tối đa : 20kHz • Bảo vệ quá nhiệt và quá áp.

Lưu ý : Mạch hoạt động điện áp tối đa 16V, Nếu cấp điện áp cao hơn, mạch không hư, khi đó chế độ bảo vệ quá áp sẽ hoạt động mạch bị ngắt tạm thời ngắt mạch. Module cầu H VNH2SP30 1. Giới thiệu cảm biến khoảng cách ToF Laser Radar VL53L0X Hình 1. Cảm biến đo khoảng cách ToF laser radar VL53LOX Cảm biến đo khoảng cách laser là một trong số những cảm biến được ứng dụng nhiều nhất, trong các lĩnh vực thông thường như robot, mô hình hay đến những lĩnh vực chuyên dụng như đo độ sâu, quét địa hình đáy biển, đo độ dày bê tông trong xây dựng hoặc các ứng dụng trong quân sự,.

1-11 Cảm biến mức tia laser có nguyên lý hoạt động đơn giản, tương tự nguyên lý hoạt động của cảm biến đo mức sóng siêu âm. Nhưng thay vì dùng tốc độ của âm thanh để xác định khoảng cách, loại cảm biến này dùng tốc độ của ánh sáng để xác định mức .Cảm biến laer được đặt ở một vị trí cố định và phát một tia laser đến bề mặt của vật thể. Tia này bị dội ngược lại tới bộ phát hiện của cảm biến. Mạch điện định thời đo thời gian đi của tia laser từ đó tính toán ra khoảng cách từ cảm biến đến vật thể.

Lợi thế của tia laser là không bị phân tán, không bị ảnh hưởng bởi âm thanh và được truyền thẳng qua không khí. • Model: ToF Laser Radar VL53L0X • Điện áp sử dụng: 2.8~5VDC • Dòng sử dụng trung bình: lúc hoạt động 20mA, lúc nghỉ 6uA. • Phương pháp đo khoảng cách: Tia Laser. • Khoảng cách đo trung bình: o Trong nhà: Nền màu trắng: 200cm+, các màu khác: 80cm.

o Ngoài trời: Nền màu trắng: 80cm, các màu khác: 50cm. • Dạng tín hiệu trả về: I2C mức TTL 3. • Kích thước: 10. Giới thiệu LCD 20x4 và module I2C Hình 1.

Màn hình LCD 20x4 Chức năng các chân: • VSS: tương đương với GND - cực âm. • VDD: tương đương với VCC - cực dương (5V). • Constrast Voltage (Vo): điều khiển độ sáng màn hình. • Register Select (RS): điều khiển địa chỉ nào sẽ được ghi dữ liệu.

• Read/Write (RW): Bạn sẽ đọc (read mode) hay ghi (write mode) dữ liệu? Nó sẽ phụ thuộc vào bạn gửi giá trị gì vào. • Enable pin: Cho phép ghi vào LCD. • D0 - D7: 8 chân dữ liệu, mỗi chân sẽ có giá trị HIGH hoặc LOW nếu bạn đang ở chế độ đọc (read mode) và nó sẽ nhận giá trị HIGH hoặc LOW nếu đang ở chế độ ghi (write mode). 1-13 • Backlight (Backlight Anode (+) và Backlight Cathode (-)): Tắt bật đèn màn hình LCD.