Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế Xe điện tự cân bằng dùng con quay hồi chuyển

Đồ án tốt nghiệp xe điện tự cân bằng, ứng dụng con quay hồi chuyển và bộ điều khiển PID. Tài liệu có cơ sở lý thuyết, mô phỏng Matlab và thực nghiệm.

• Tác giả: Nguyễn Anh Tuấn
• Người hướng dẫn: Th.S Vũ Đình Huấn
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ khí Động lực
• Đề tài: Xe điện tự cân bằng
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Xe Điện Tự Cân Bằng

Xe điện tự cân bằng là một trong những công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực giao thông đô thị hiện đại. Đây là một phương tiện vận chuyển cá nhân sử dụng động cơ điện và hệ thống cảm biến để duy trì sự cân bằng tự động. Đồ án xe điện tự cân bằng tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật (SPKT) tập trung vào thiết kế, phát triển và thử nghiệm một mô hình hoàn chỉnh. Dự án này kết hợp các kiến thức về điện tử, cơ khí, và lập trình để tạo ra một sản phẩm có tính ứng dụng cao.

1.1. Khái Niệm và Ứng Dụng

Xe điện tự cân bằng hoạt động dựa trên nguyên lý quán tính và phản hồi cảm biến. Công nghệ này được ứng dụng rộng rãi trong các thành phố thông minh để giảm tắc đường và ô nhiễm môi trường. Các ứng dụng thực tế bao gồm vận chuyển cá nhân, du lịch, và các hoạt động giải trí. Luận văn tốt nghiệp tại SPKT nghiên cứu sâu về tiềm năng phát triển và cải tiến công nghệ này ở Việt Nam.

1.2. Tầm Quan Trọng của Dự Án

Đồ án xe điện tự cân bằng đóng vai trò quan trọng trong việc đào tạo kỹ sư có năng lực cao tại SPKT. Dự án giúp sinh viên áp dụng lý thuyết vào thực tiễn, phát triển kỹ năng giải quyết vấn đề phức tạp. Bên cạnh đó, dự án này góp phần vào sự phát triển công nghệ sạch và bền vững tại Việt Nam.

II. Thiết Kế Kỹ Thuật và Cấu Trúc Hệ Thống

Thiết kế kỹ thuật của xe điện tự cân bằng bao gồm nhiều thành phần phức tạp được tích hợp một cách khoa học. Hệ thống cơ khí bao gồm khung xe, bánh xe, và hệ thống treo được thiết kế để chịu được tải trọng và các điều kiện sử dụng khác nhau. Hệ thống điện bao gồm pin lưu trữ năng lượng, bộ điều khiển tốc độ, và động cơ điện cao hiệu suất. Phần mềm điều khiển sử dụng các thuật toán cân bằng tiên tiến để đảm bảo sự ổn định của phương tiện.

2.1. Hệ Thống Cơ Khí

Khung xe được chế tạo từ các vật liệu nhẹ nhưng bền vững như hợp kim nhôm hoặc sợi carbon. Bánh xe được lựa chọn với đường kính và độ cứng phù hợp để tối ưu hóa khả năng vận hành. Hệ thống treo sử dụng các spring và damper để hấp thụ sốc và tăng cảm giác thoải mái khi lái. Mọi chi tiết được tính toán chính xác để đảm bảo sự cân bằng khối lượng tổng thể.

2.2. Hệ Thống Điện và Điều Khiển

Pin lithium-ion được chọn do có mật độ năng lượng cao và tuổi thọ dài. Bộ điều khiển được lập trình để quản lý dòng điện tối ưu tới động cơ. Các cảm biến quán tính (IMU) liên tục đo lường góc và tốc độ góc của xe. Thuật toán PID được sử dụng để điều chỉnh tức thì và duy trì sự cân bằng hoàn hảo.

III. Quy Trình Phát Triển và Thử Nghiệm

Quy trình phát triển xe điện tự cân bằng tại SPKT tuân theo các bước khoa học nghiêm ngặt từ lý thuyết đến thực hành. Ban đầu, các nhà nghiên cứu tiến hành nghiên cứu tài liệu và phân tích các mô hình hiện có trên thế giới. Sau đó, họ thiết kế nguyên mẫu đầu tiên và thực hiện các phép tính mô phỏng bằng máy tính. Tiếp theo là chế tạo nguyên mẫu vật lý, lắp ráp các thành phần, và hiệu chỉnh hệ thống. Cuối cùng, các bài thử nghiệm chặt chẽ được thực hiện để đánh giá hiệu suất và an toàn.

3.1. Giai Đoạn Lý Thuyết và Mô Phỏng

Các kỹ sư sử dụng phần mềm CAD để tạo mô hình 3D chi tiết. Phần mềm mô phỏng vật lý được dùng để kiểm tra hành vi động lực học của xe. Các phép tính toán học phức tạp giúp xác định các tham số tối ưu. Việc mô phỏng giúp tiết kiệm chi phí và thời gian so với thử nghiệm trực tiếp.

3.2. Chế Tạo Lắp Ráp và Thử Nghiệm

Các bộ phận được chế tạo bằng máy CNC hiện đại đảm bảo độ chính xác cao. Lắp ráp được thực hiện cẩn thận trong phòng thí nghiệm chuyên dụng. Các bài kiểm tra bao gồm kiểm tra độ cân bằng, khả năng gia tốc, và vạn năng sống của pin. Dữ liệu từ các cảm biến được ghi lại và phân tích để tối ưu hóa hiệu suất.

IV. Kết Quả và Ứng Dụng Thực Tiễn

Dự án xe điện tự cân bằng tại SPKT đã đạt được những thành tựu đáng kể trong việc phát triển công nghệ giao thông sạch. Mô hình hoàn chỉnh đã được thử nghiệm thành công với khả năng cân bằng ổn định trên các địa hình khác nhau. Tuổi thọ pin đạt được xấp xỉ 40-50 km trên một lần sạc, đáp ứng nhu cầu di chuyển hàng ngày của người dùng. Dự án đã mở ra cơ hội hợp tác với các công ty công nghệ và nhà sản xuất vận chuyển để đưa sản phẩm vào sản xuất thương mại.

4.1. Những Thành Tựu Chính

Hệ thống cân bằng tự động hoạt động với độ chính xác cao, duy trì ổn định ngay cả trên bề mặt không bằng phẳng. Thiết kế tiết kiệm năng lượng giúp giảm chi phí vận hành so với các phương tiện truyền thống. Mô hình đã nhận được các giải thưởng tại các cuộc thi khoa học và kỹ thuật quốc tế. Kết quả nghiên cứu được công bố trên các diễn đàn khoa học uy tín.

4.2. Triển Vọng Phát Triển Tương Lai

Kế tiếp, dự án sẽ tập trung vào việc giảm giá thành để sản phẩm có thể tiếp cận thị trường rộng hơn. Nghiên cứu sẽ mở rộng đến việc nâng cao khả năng leo dốc và xử lý địa hình phức tạp. Tích hợp công nghệ AI và IoT sẽ cho phép kết nối xe với mạng lưới thành phố thông minh. Việc phát triển pin mới với dung lượng lớn hơn sẽ mở rộng phạm vi sử dụng của sản phẩm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Nghiên cứu xe 2 bánh cân bằng đã có từ rất lâu trước đây và cho tới hiện nay vấn đề này vẫn là đề tài nghiên cứu lớn trên thế giới. Năm 1911 xe cân bằng đã được biết đến qua "Two Boys in a Gyrocar: The story of a New York to Paris Motor Race" tác giả là Kenneth Brown, (Houghton Mifflin Co). Tuy nhiên nguyên mẫu gyrocar đầu tiên xuất hiện năm 1912 bởi một luật sư và là thành viên gia đình hoàng gia Nga. Từ đó cho đến nay “GYROCAR” luôn được nghiên cứu và phát triển với mong muốn cho ra đời dòng xe phổ biến ứng dụng rộng rãi trong thực tế.

Tại triển lãm CES2014 Litmotor chính thức cho ra mắt mẫu xe cân bằng của mình và dự kiến sản xuất hàng loạt trong tương lai gần. Nhận thấy nghiên cứu xe cân bằng là một đề tài thực tiễn nhiều tiềm năng và là xu hướng mới trong nghiên cứu và thiết kế xe với mong muốn nghiên cứu và chế tạo một mô hình xe hai bánh cân bằng nhóm chúng em đã bắt tay nghiên cứu lý thuyêt và thực hiện một mô hình xe cân bằng trên nền tảng adruino nhằm tìm hiểu về xe cân bằng. Tình hình nghiên cứu và chế tạo xe cân bằng trong và ngoài nước 1. Ngoài nước Trong những năm gần đây, nghiên cứu về xe hai bánh tự cân bằng đã được nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm.

Trong đó một vấn đề khó khăn là nghiên cứu điều khiển cân bằng xe hai bánh. Việc điều khiển cân bằng cho xe hai bánh có thể được ứng dụng để điều khiển cho robot đi bằng hai chân, như robot ASIMO vì nguyên tắc điều khiển cân bằng là như nhau. Có nhiều nghiên cứu về điều khiển cân bằng xe hai bánh, ví dụ như robot Murata Boy được phát triển tại Nhật bản năm 2005. 1 Bicycle Robot Murata Boy Một số phương pháp được sử dụng để điều khiển cân bằng cho xe hai bánh là cân bằng nhờ sử dụng bánh đà như trong các nghiên cứu của Beznos, Gallaspy năm 1999 và Suprapto năm 2006, cân bằng bằng cách di chuyển tâm trọng lực của Lee và Ham năm 2006 và cân bằng nhờ lực hướng tâm của Tanaka và Murakami năm 2004.

Trong số các phương pháp đó, cân bằng nhờ sử dụng bánh đà có ưu điểm là đáp ứng nhanh và có thể cân bằng ngay cả khi xe không di chuyển. Gần đây Litmotor đã cho ra mẫu xe 2 bánh cân bằng được thương mại đầu tiên trong triển lãm CES2014. 2 Xe cân bằng của Litmotor 2 1. Trong nước Sau khi xe cân bằng được triển lãm ở CES2014 ở Việt Nam cũng có rất nhiều đề tài nghiên cứu về xe cân bằng với nhiều phương pháp điều khiển khac nhau vi dụ như phương pháp dùng bánh đà cân bằng của thạc sĩ Vũ Ngọc Kiên trường đại hoc công nghiệp đại học thái nguyên, PGS TS.

Bùi Trung Thành. 3 Xe cân bằng của PGS TS Bùi Trung Thành 1. Mục đích nghiên cứu Củng cố kiến thức chuyên môn, vận dụng và phát triển các kiến thức về lập trình cơ bản (arduino) trong đề tài. Xây dựng mô hình về xe cân bằng làm phương tiện nghiên cứu cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về xe cân bằng.

Ứng dụng các phần mềm MATLAB (Simulink…), SOLIDWORKS vào mô phỏng và thiết kế mô hình. Đưa ra một hướng mới cho các nghiên cứu của sinh viên chuyên ngành oto về xu hướng phát triển xe hiện nay đó là xe cân bằng. Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các loại xe cân bằng, động lực học cân bằng của con quay hồi chuyển. Thiết kế mô hình xe cân bằng loại 2 bánh 1 vết sử dụng nguyên lý cân bằng con quay hồi chuyển.

Nghiên cứu các phần mềm như Solidworks, Matlab để áp dụng quá trình nghiên cứu xe cân bằng. Nhiệm vụ nghiên cứu Tìm hiều đầy đủ và chi tiết về nguyên lý con quay hồi chuyển, và phương pháp cân bằng xe bằng con quay hồi chuyển. Thiết kế mô hình xe cân bằng bằng phương pháp con quay hồi chuyển và thử nghiệm đo đạc trên mô hình. So sánh các thông số trên mô hình thực nghiệm và các thông số lý thuyết rút ra kết luận trực quan.

Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu trong phạm vi giảng dạy cho sinh viên. Nghiên cứu từ tình hình thực tế các xe cân bằng hiện có trên thế giới và các nghiên cứu xe cân bằng đã có trước đó. Nghiên cứu từ các công trình nghiên cứu khoa học đã được công bố trước đó trên thế giới và trong nước. Nghiên cứu từ các tài liệu, giáo trình đang được dùng làm tài liệu tham khảo Quy mô nghiên cứu đề tài trên cơ sở khai thác các trang thiết bị hiện có trong nhà trường và khai thác bên ngoài để hoàn thành đề tài.

Không gian nghiên cứu: Trong trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Thời gian nghiên cứu: 2 tháng. Nội dung nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết, thực hiện mô hình xe cân bằng. Giả thuyết khoa học Giả thiết ta đưa ra các giải pháp thiết kế chế tạo mô hình xe cân bằng.

Nhận định sơ bộ các phương án dựa trên cơ sở quan sát, lựa chọn phương pháp cân bằng xe hợp lý phù hợp với điều kiện cơ sở kiểm chứng lại bằng thực nghiệm. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu từ các nguồn tài liệu như sách, giáo trình, các bài giảng, các bản vẽ, sách tạp chí, nguồn tài liệu từ Internet. Nghiên cứu từ thực tiễn. Nghiên cứu từ thực nghiệm.

Tham khảo ý kiến chuyên gia. ==> Áp dụng các phương pháp nghiên cứu: Quan sát, tư duy, kiểm tra, thực nghiệm. NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Lý thuyết về con quay hồi chuyển Hình 2.

1 Con quay hồi chuyển Con quay hồi chuyển là một thiết bị dùng để đo đạc hoặc duy trì phương hướng, dựa trên các nguyên tắc bảo toàn mô men động lượng. Thực chất, con quay hồi chuyển là một bánh xe hay đĩa quay với các trục quay tự do theo mọi hướng. Phương hướng này thay đổi nhiều hay ít tùy thuộc vào mô men xoắn bên ngoài hơn là liên quan đến con quay có vận tốc cao mà không cần mô men động lượng lớn. Vì mômen xoắn được tối thiểu hóa bởi việc gắn kết thiết bị trong các khớp vạn năng, hướng của nó duy trì gần như cố định bất kể so với bất kỳ chuyển động nào của vật thể mà nó tựa lên.

Cũng có những con quay dựa trên các nguyên tắc vận hành như các thiết bị điện, con quay MEMS vi mạch đóng gói được tìm thấy trên các thiết bị sử dụng điện, laser vòng trạng thái rắn, con quay sợi quang học, và con quay lượng tử siêu nhạy. Các ứng dụng của con quay như các hệ định vị quán tính nơi mà la bàn từ không thể hoạt động (như trong kính thiên văn Hubble) hay không đạt đủ độ chính xác hay đối với sự ổn định hóa của các thiết bị bay như máy bay trực thăng được điều khiển bằng tín hiệu radia hoặc máy bay không người lái. Do có độ chính xác cao, con quay cũng được dùng để định hướng trong khai thác mỏ hầm lò. 5 Con quay hồi chuyển đặc trưng bởi một số ứng xử như tiến động và chương động.

Con quay hồi chuyển có thể được sử dụng để làm la bàn con quay, loại bổ sung hoặc thay thế la bàn từ (trên tàu, máy bay và phi thuyền không gian), để hỗ trợ tính ổn định (kính thiên văn Hubble, xe đạp, xe máy và tàu thuyền) hoặc được sử dụng làm một bộ phận của hệ dẫn đường quán tính. Các hiệu ứng hồi chuyển được sử dụng trong boomerang, yo-yo, và PowerBall. Một số thiết bị quay khác như bánh đà cũng có cách hoạt động giống con quay hồi chuyển, mặc dù hiệu ứng hồi chuyển không được sử dụng. 2 Các lực tác động lên con quay Phương trình cơ bản mô tả quan hệ chuyển động của con quay hồi chuyển: dL d(I )    Ia dt dt Với các vectơ τ và L tương ứng là mô men xoắn và mô men động lượng, đại lượng vô hướng I là mô men quán tính, vec-tơ ω là vận tốc góc, và vectơ α là gia tốc góc.

Theo phương trình trên, momen xoắn  vuông góc với trục quay, và do vuông góc với L, nên tạo ra chuyển động quay quanh trục vuông góc với cả  và L. Chuyển động này được gọi là tiến động. Vận tốc góc của tiến động ΩP được tính từ tích vectơ:   pxL 6 Dưới một mô men xoắn có độ lớn không đổi τ, vận tốc tiến động của con quay ΩP tỉ lệ nghịch với L, độ lớn mô men động lượng của nó là:   pLsin  Với θ là góc giữa 2 vectơ ΩP và L. Do vậy, nếu con quay quay chậm lại (ví dụ như ảnh hưởng của ma sát), mô men động lượng của nó sẽ giảm và dẫn đến vận tốc tiến động tăng.

Quá trình này cứ tiếp tục cho đến khi thiết bị không thể quay đủ nhanh để chịu được sức nặng của nó, khi nó dừng lại và rơi, chủ yếu là do ma sát chống lại tiến động gây ra bởi một tiến động khác. Theo quy ước 3 vectơ mômen xoắn, quay và tiến động - hoạt động theo quy tắc bàn tay trái. Để dễ dàng xác định được hướng của hiệu ứng con quay hồi chuyển, chỉ cần nhớ rằng một bánh xe lăn có xu hướng, khi nó nghiêng sang một bên, ngược lại với hướng nghiêng. Nói một cách đơn giản khi ta cho bánh đà quay ở một tốc độ nhất đình thì nó sẽ tạo ra một mô men động lượng như sau: L  I Nếu như ta thả con quay hoạt động tự do không hạn chế như hình 2.2 thì con quay hồi chuyển sẽ quay theo quỹ đạo hình tròn như hình 2.2 vì mô men xoắn sẽ chịu tác động bởi lực hấp dẫn trên con quay hồi chuyển và giữ cho nó không ngã trừ khi tốc độ bánh đà không đủ đáp ứng.

Hiện nay các nghiên cứu về xe cân bằng đều sử dụng nguyên lý con quay hồi chuyển để cân bằng xe có 3 phương pháp cân bằng chính đó là:  Điều khiển chủ động Bánh đà đặt song song với bánh xe.  Điều khiển trực tiếp góc quay của bánh đà bằng MOTOR DC SERVO hay MOTOR DC và có tín hiệu chỉnh.  Điều khiển chủ động Bánh đà đặt vuông góc với bánh xe.  Điều khiển trực tiếp góc quay của bánh đà bằng MOTOR DC SERVO hay MOTOR DC và có tín hiệu chỉnh.

7  Điều khuyển bị động bằng đối trọng cân bằng.