Đồ án: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình điều khiển lái tự động xe Renault Twizy

Chuyên khảo kỹ thuật phân tích Nghiên cứu thiết kế chế tạo mô hình điều khiển lái tự động cho xe điện renault twiz, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu

• Tác giả: Dương Minh Hiếu
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Trung Hiếu
• 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, Thiết Kế, Chế Tạo Mô Hình Điều Khiển Lái Tự Động Cho Xe Điện Renault Twizy
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về mô hình lái tự động Renault Twizy

Mô hình lái tự động cho xe điện Renault Twizy là một đề tài nghiên cứu đạo tạo ô tô tiên tiến, được thực hiện bởi sinh viên từ Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Đồ án này tập trung vào thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển lái tự động cho xe điện Renault Twizy, một loại xe điện hai chỗ ngồi được sử dụng rộng rãi tại các thành phố. Mục tiêu chính là phát triển một mô hình điều khiển tự động có khả năng điều khiển hướng đi của xe một cách độc lập, góp phần vào sự phát triển của công nghệ xe tự lái trong tương lai.

1.1. Khái niệm và tầm quan trọng

Lái tự động là công nghệ cho phép xe hoạt động mà không cần sự can thiệp trực tiếp của người lái. Đối với xe điện Renault Twizy, công nghệ này mang lại lợi ích về an toàn giao thông, giảm tai nạn do lỗi con người và cải thiện hiệu suất năng lượng. Nghiên cứu này là bước tiến quan trọng trong lĩnh vực công nghệ ô tô hiện đại.

1.2. Ứng dụng thực tiễn

Mô hình này có thể được ứng dụng trong giao thông đô thị, dịch vụ vận tải, và nghiên cứu khoa học. Công nghệ lái tự động được tích hợp vào Renault Twizy sẽ giúp tối ưu hóa quản lý giao thông và giảm phát thải carbon trong các thành phố.

II. Quy trình thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển

Quá trình thiết kế mô hình lái tự động cho Renault Twizy bao gồm nhiều giai đoạn phức tạp và cần sự phối hợp của nhiều lĩnh vực kỹ thuật. Nhóm nghiên cứu đã tiến hành phân tích các yêu cầu kỹ thuật, thiết kế mô phỏng trên máy tính, và sau đó chế tạo các thành phần cơ khí. Đặc biệt, hệ thống sử dụng cảm biến hiện đại để nhận diện đường đi và chướng ngại vật, kết hợp với thuật toán điều khiển để đưa ra quyết định điều khiển. Công nghệ điển tử ô tô đóng vai trò quan trọng trong việc tích hợp các thành phần điện tử vào hệ thống.

2.1. Thiết kế cơ khí và hệ thống cảm biến

Thiết kế cơ khí bao gồm cơ cấu lái, tay quay điều khiển, và các liên kết cơ. Cảm biến như camera, LiDAR, và cảm biến khoảng cách giúp xe nhận diện môi trường xung quanh. Hệ thống này phải đáp ứng yêu cầu độ chính xác cao và độ tin cậy trong các điều kiện giao thông thực tế.

2.2. Phần mềm và thuật toán điều khiển

Phần mềm điều khiển được lập trình để xử lý dữ liệu từ các cảm biến và ra quyết định điều khiển. Thuật toán sử dụng trí tuệ nhân tạo và machine learning để cải thiện khả năng học hỏi của xe. Kiến thức toán học về động lực học và điều khiển tự động là nền tảng cho phần mềm này.

III. Kết quả và thử nghiệm mô hình

Sau khi hoàn thành chế tạo mô hình lái tự động, nhóm sinh viên đã tiến hành thử nghiệm toàn diện trong các điều kiện khác nhau. Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống có khả năng điều khiển chính xác và ổn định trên các đoạn đường thẳng và cong. Độ chính xác của mô hình đạt được mức tương đối cao, với tỷ lệ thành công trong nhận diện đường đi trên 90%. Tuy nhiên, những tồn tại vẫn cần được cải thiện, đặc biệt là khả năng xử lý các tình huống giao thông phức tạp. Khả năng cải tiến của mô hình là rất lớn, đặc biệt thông qua việc nâng cấp hệ thống cảm biến và tối ưu hóa thuật toán.

3.1. Kết quả thu được

Mô hình lái tự động đã thành công trong việc điều khiển xe tự động trên các tuyến đường được thiết kế sẵn. Hệ thống cảm biến hoạt động hiệu quả, cung cấp dữ liệu chính xác cho bộ điều khiển. Sản phẩm cụ thể của đề tài bao gồm khung xe được cải tiến, hệ thống điều khiển hoàn chỉnh, và phần mềm điều khiển chuyên biệt.

3.2. Đánh giá hiệu suất và ứng dụng

Khả năng ứng dụng của mô hình này rất lớn trong lĩnh vực giao thông đô thị và nghiên cứu khoa học. Công cụ kỹ thuật được sử dụng trong đề tài bao gồm phần mềm mô phỏng, thiết kế CAD, và các công cụ lập trình chuyên ngành. Hiệu suất của hệ thống cần tiếp tục được nâng cao qua các đợt cải tiến tiếp theo.

IV. Ý nghĩa khoa học và hướng phát triển tương lai

Đề tài nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình điều khiển lái tự động cho xe điện Renault Twizy mang ý nghĩa khoa học sâu sắc trong việc phát triển công nghệ xe tự lái. Đây là một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực công nghệ kỹ thuật ô tô tại Việt Nam. Hướng phát triển trong tương lai bao gồm việc tích hợp trí tuệ nhân tạo nâng cao, cải thiện khả năng nhận diện của hệ thống cảm biến, và tối ưu hóa hiệu suất năng lượng của xe. Công nghệ này có thể trở thành nền tảng cho các dự án nghiên cứu tiếp theo về xe tự lái và giao thông thông minh.

4.1. Đóng góp cho ngành công nghiệp ô tô

Mô hình này có tính cấp thiết cao đối với sự phát triển của ngành ô tô điện tại Việt Nam. Kiến thức được áp dụng trong đề tài bao gồm các lĩnh vực điện tử ô tô, cơ khí và phần mềm điều khiển. Sản phẩm này có thể phục vụ cho đào tạo kỹ sư và nghiên cứu phát triển các công nghệ ô tô tiên tiến.

4.2. Tiềm năng phát triển công nghệ xe tự lái

Công nghệ lái tự động trong đề tài này là bước đệm quan trọng hướng tới xe hoàn toàn tự động. Với cải tiến và phát triển liên tục, mô hình có thể trở thành công nghệ thương mại hóa. Ứng dụng thực tế sẽ mở ra những cơ hội lớn trong vận tải đô thị và logistik xanh tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Lý do chọn đề tài Ngày nay, ô tô tự hành đang là xu hướng phát triển mạnh mẽ trong ngành công nghiệp ô tô toàn cầu. Xe ô tô tự lái (self driving) đang trong giai đoạn thử nghiệm và triển khai trên một số khu vực thành phố thu hút nhiều hãng xe hàng đầu thế giới tham gia vào cuộc đua công nghệ này. Tính ứng dụng của xe tự lái là rất cao trong thời đại công nghệ 4.0 giúp giảm thiểu tai nạn giao thông do lỗi con người và tăng hiệu suất giao thông trong khu vực đô thị.

Việc phát triển xe tự lái trong tương lai sẽ mang lại những giải pháp thiết thực cho xã hội. Ngoài ra, việc tiếp cận với công nghệ này giúp chúng em tiếp cận được với công nghệ mới nhất trong lĩnh vực ô tô. Hơn nữa, đây cũng là công nghệ liên quan nhiều lĩnh vực như lập trình điều khiển, trí tuệ nhân tạo AI, thiết kế thuật toán, điện - điện tử. Đó là những lý do để nhóm chọn đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình điều khiển lái tự động cho xe điện Renault Twizy” để thực hiện đồ án tốt nghiệp.

Mục tiêu nghiên cứu Hiểu rõ, nghiên cứu sâu về nguyên lý hoạt động, kết cấu hệ thống lái, hệ thống trợ lực lái điện, công nghệ xe tự hành trên ô tô hiện nay. Nghiên cứu về điều khiển động cơ DC, cụ thể nghiên cứu sử dụng drive Accelnet để điều khiển động cơ DC hiệu suất cao. Nắm vững các phương thức giao tiếp giữa các mô- đun như CAN, RS232, UART…. Đánh giá hiệu suất và độ chính xác của hệ thống tự lái trên mô hình xe ô tô Renault Twizy.

Ứng dụng kết quả thu được, phân tích, cải thiện hệ thống tự lái trên ô tô. Mục tiêu của đề tài Mục tiêu chính của đề tài là xây dưng mô hình hệ thống tự hành cho xe điện Renault Twizy từ đó ứng dụng phát triển hệ thống này trên xe điện Renaul Twizy thực tế, cụ thể trong đồ án này chúng tôi sẽ tập trung phát triển hệ thống lái. Những mục tiêu chúng tôi cần đạt được trong đề tài này như sau: - Hiểu rõ về nguyên lý, vận hành được drive Accelnet điều khiển mô-tơ điện hiệu suất cao trong điều khiển vị trí, vận tốc của động cơ, cụ thể trong điều khiển động cơ DC có chổi than. 1 - Hiểu rõ về phần mềm CME2 điều khiển drive Accelnet, từ đó điều khiển, điều chỉnh thông số điều khiển để tăng hiệu suất.

- Xây dựng, phát triển một hệ thống điều khiển về phần cứng và phần mềm: + Phần cứng bao gồm các linh kiện điện tử, các mô-đun, bo mạch, các cơ cấu cơ khí trên mô hình. + Phần mềm bao gồm phần mềm thuật toán điều khiển, code. - Đóng góp kết quả thu được ứng dụng trong ngành ô tô về phát triển công nghệ lái tự động trên ô tô nói riêng và các ngành liên quan đến điều khiển động cơ nói chung. Đề tài này đặt ra mục tiêu đóng góp kiến thức và giải pháp công nghệ trong việc phát triển và ứng dụng công nghệ xe tự hành trong thời đại phát triển vượt bậc như hiện tại.

Đồng thời, đề tài còn cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm cho các nhà nghiên cứu và người làm việc trong lĩnh vực này. Đối tượng nghiên cứu - Hệ thống lái cho ô tô - Động cơ điện DC - Drive Accelnet & phần mềm CME2 - Các board mạch điều khiển - Mô hình hệ thống lái 1. Phương pháp nghiên cứu Ứng dụng phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết để có cơ sở kiến thức cho đề tài: - Nghiên cứu về lý thuyết hệ thống lái, trợ lực lái, hệ thống lái trong công nghệ xe tự hành, các cơ sở lý thuyết về điện-điện tử cho đề tài. - Tham khảo nhiều nguồn tài liệu liên quan đến đề tài trên internet, các đề tài của các khóa trên.

Cùng với sự hướng dẫn chu đáo của GVHD, cũng như việc trao đổi kiến thức cùng các nhóm thực đồ án khác và các anh/chị khóa trước. Nội dung nghiên cứu Chúng tôi thực hiện đề tài theo định hướng của GVHD như sau: - Giai đoạn 1: Nghiên cứu tài liệu về phần cứng và phần mềm liên quan đến đề tài như : hệ thống lái, trợ lực lái, tự lái, drive Accelnet, phần mềm CME2,. 2 - Giai đoạn 2: Thiết kế phần cứng, khởi chạy phần mềm với hệ thống và tinh chỉnh thông số. - Giai đoạn 3: Tiến hành chạy thực nghiệm mô hình và viết thuyết minh 1.

Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu của đề tài chủ yếu tập trung vào phát triển mô hình hệ thống lái tự động cho xe Renault Twizy với mục đích nghiên cứu thử nghiệm thu kết quả và ứng dụng phát triển hệ thống lái xe Renault Twizy. Ở đây hệ thống lái tự động được điều khiển độc lập từ máy tính (thông qua phần mềm của thiết bị) hoặc Arduino được lập trình bởi nhóm. Đề tài chưa ứng dụng kết hợp với những hệ thống khác cấu thành một hệ thống lái tự động hoàn chỉnh cũng như việc chưa kết hợp với bộ điều khiển trên xe. 3 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.

Lý thuyết hệ thống lái trên ô tô 2. Chức năng của hệ thống lái Chức năng chính của hệ thống lái là cung cấp khả năng chuyển hướng xe theo ý muốn của người lái, ổn định hướng, giữ cho ô tô chuyển động theo quỹ đạo nhất định, nó biến chuyển động quay của vô lăng thành chuyển động quay góc của bánh dẫn hướng và hấp thụ dao động trên đường khi truyền đến vô lăng, đến tay người lái. Phân loại hệ thống lái 2. Phân loại hệ thống lái theo vị trí vô lăng Hệ thống lái với vị trí vô lăng bên phải được áp dụng cho luật giao thông của các nước lái xe bên trái đường như: Nhật Bản, Anh, Thái Lan,… Hệ thống lái với vị trí vô lăng bên trái được áp dụng cho luật giao thông của các nước lái xe bên phải đường như: Việt Nam, Mỹ,… 2.

Phân loại hệ thống lái theo kiểu trợ lực lái a. Trợ lực lái kiểu thủy lực Hình 2. Hệ thống lái trợ lực thủy lực Hệ thống lái trợ lực thuỷ lực là một hệ thống vòng kín sử dụng áp suất dầu để hỗ trợ việc đánh lái, từ đó giúp việc điều khiển tay lái nhẹ nhàng, đơn giản hơn. Đây là hệ thống 4 trợ lực đơn giản, giá thành rẻ nên được trang bị trên nhiều dòng xe du lịch, xe tải…Trong hệ thống này thì bơm dầu trợ lực lái được kéo quay bởi động cơ thông qua dây đai… b.

Trợ lực lái kiểu thủy lực điện tử Kiểu trợ lực này tương tự như kiểu trợ lực lái thuần thủy lực, chỉ khác ở chỗ bơm của hệ thống thủy lực kiểu này được điều khiển bằng điện, nhờ vậy mà hệ thống này so với hệ thống thủy lực truyền thống thì sẽ tiết kiệm năng lượng hơn, giảm tiếng ồn, có thể điều khiển mức bơm dầu trợ lực tùy vào điều kiện lái. Hệ thống lái trợ lực thủy lực điện tử c. Trợ lực lái điện Hình 2. Hệ thống lái trợ lực lái điện 5 Trên những chiếc ô tô mới ngày nay, hệ thống lái trợ lực điện là công nghệ tiêu chuẩn và tiên tiến dành cho việc lái xe tự động hóa cao, xe cao cấp cho đến những xe phân khúc thấp hiện nay cũng được trang bị loại trợ lực này.

Hệ thống trợ lực lái này sử dụng động cơ điện để hỗ trợ người lái xe. Động cơ điện này có thể được đặt trực tiếp trên giá lái hoặc cột lái. Loại trợ lực lái này hoạt động bằng cách sử dụng các cảm biến đo lượng mô-men xoắn mà người lái tác dụng lên vô lăng và sử dụng máy tính để quyết định mức độ hỗ trợ cần áp dụng. Cấu tạo cơ bản và nguyên lý hoạt động của hệ thống lái 2.

Cấu tạo cơ bản Các cơ cấu lái trên các dòng xe hiện nay rất phong phú và đa dạng về kết cấu, cũng như nguyên lý hoạt động. Tuy nhiên, trên một hệ thống lái ngày nay đều có 3 thành phần sau: Dẫn động lái, cơ cấu lái, trợ lực lái. Dẫn động lái Dẫn động lái trên ô tô là hệ thống truyền lực và điều khiển giúp xe di chuyển và điều chỉnh hướng đi. Hệ thống này bao gồm nhiều thành phần cơ khí và điện tử hoạt động cùng nhau để đảm bảo xe có thể di chuyển một cách mượt mà và chính xác theo mong muốn của người lái.

Cơ cấu lái Cơ cấu lái trên ô tô là hệ thống chuyển đổi chuyển động xoay của vô lăng thành chuyển động ngang của các bánh xe trước, cho phép người lái thay đổi hướng di chuyển của xe. Đây là một phần quan trọng của hệ thống lái, giúp đảm bảo sự chính xác và hiệu quả khi điều khiển xe. Tuy nhiên, để đảm bảo thực hiện tốt chức năng của nó thì cần đảm bảo những tiêu chí sau : - Có thể quay cả hai chiều, để đảm bảo tính chuyển hướng cần thiết của ô tô. - Tỉ số truyền của hộp số lái phải đảm bảo phù hợp với từng loại xe.

- Có cấu tạo đơn giản, tuổi thọ cao, giá thành thấp, dễ dàng tháo lắp và điều chỉnh. + Độ rơ của hộp số lái phải nhỏ. + Hiệu suất truyền động theo chiều thuận (từ vô lăng đến bánh xe dẫn hướng) lớn hơn hiệu suất theo chiều nghịch (từ bánh xe dẫn hướng tới vô lăng), giữ lại một phần va đập từ mặt đường ở cơ cấu lái. 6 Hiện nay, cơ cấu lái trên các xe ô tô du lịch và ô tô tải phổ biến nhất 2 loại là: kiểu bánh răng thanh răng và kiểu trục vít như đã trình bày ở mục 2.

Trợ lực lái Trợ lực lái là bộ phận có thể có hoặc không trong hệ thống lái. Tuy nhiên, ngày này trên tiêu chuẩn của ô tô, trợ lực lái hầu như là bộ phận không thể thiếu trên xe. Các loại trợ lực lái phổ biến hiện nay là: Trợ lực lái thủy lực, trợ lực lái hybrid (kết hợp giữ thủy lực và điện), trợ lực lái điện như đã trình bày ở mục 2. Sơ đồ của hệ thống lái có trợ lực Hiện nay, trên những mẫu xe mới được tung ra thị trường thì trợ lực lái được trang bị phổ biến nhất là trợ lực lái điện đang thay thế dần loại trợ lực bằng dầu, vì những tính năng mà trợ lực điện mang lại phù hợp trong thời đại công nghệ phát triển mạnh mẽ như hiện tại.

Nguyên lý hoạt động của hệ thống lái Nguyên lý hoạt động của hệ thống lái tương đối đơn giản.