Nghiên Cứu và Chế Tạo Thiết Bị Đo Dao Động Trên Ô Tô

Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo dao động trên ô tô giúp nâng cao hiệu suất và an toàn cho phương tiện, ứng dụng công nghệ hiện đại.

• Tác giả: Phạm Thành Trung
• 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, Chế Tạo Thiết Bị Đo Dao Động Trên Ô Tô
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• BẢN TÓM TẮT ĐỒ ÁN
• 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
• 1.1. Lí do chọn đề tài
• 1.2. Xu hướng phát triển ô tô khách ở Việt Nam
• 1.3. Đặc điểm và sự phát triển mạng lưới giao thông ở Việt Nam
• 1.4. Hiện trạng phát triển ô tô khách ở Việt Nam
• 1.5. Tình hình sản xuất, lắp ráp ô tô khách ở Việt Nam
• 1.6. Các hướng nghiên cứu dao động trên ô tô
• 1.6.1. Các công trình nghiên cứu về dao động trên ô tô
• 1.6.2. Các nghiên cứu trong nước
• 1.6.3. Các nghiên cứu trên thế giới
• 1.7. Tổng quan về nghiên cứu dao động trên ô tô
• 1.7.1. Tổng thể hệ thống “Đường – Ô tô – Con người”
• 1.7.2. Nghiên cứu về biên dạng mặt đường
• 1.7.3. Nghiên cứu về dao động trên ô tô
• 1.7.4. Nghiên cứu cảm giác con người đối với dao động
• 1.7.5. Các chỉ tiêu liên quan đến độ êm dịu chuyển động của ô tô
• 1.7.6. Giới thiệu tiêu chuẩn về độ êm dịu của Việt Nam
• 2. MÔ HÌNH TOÁN HỌC DAO ĐỘNG Ô TÔ
• 2.1. Các giả thiết khi xây dựng mô hình dao động ô tô
• 2.2. Xây dựng mô hình dao động ô tô hai cầu trong mặt phẳng
• 2.3. Khai triển các thành phần dao động của mô hình
• 2.4. Phân tích lực tác dụng lên khối lượng không được treo cầu trước
• 2.5. Phân tích lực tác dụng lên cơ cấu treo cầu trước
• 2.6. Phân tích lực tác dụng khối lượng được treo cầu sau
• 2.7. Phân tích lực tác dụng lên cơ cấu treo sau
• 3. THIẾT BỊ ĐO DAO ĐỘNG
• 3.1. Khảo sát các mô hình tương tự
• 3.2. Mô hình truyền dữ liệu realtime trên đường đua F1
• 3.3. Thiết bị thu thập dữ liệu VBOX automotive
• 3.4. Mô hình thiết bị
• 3.5. Giới thiệu tổng quát về thiết bị
• 3.6. Các tính năng trên thiết bị
• 3.7. Sơ đồ khối các mô-đun trên thiết bị
• 3.8. Tiến hành xây dựng và thiết kế
• 3.8.1. Các module trong hệ thống
• 3.8.2. Main Controller – Mạch điều khiển trung tâm
• 3.8.3. Module cảm biến
• 3.8.4. Module GPS EVK-6PPP u-blox
• 3.8.5. Module Bluetooth HC-06
• 3.8.6. Module SD card - Arduino Micro SD Shield Module SPI SD
• 3.8.7. Một số module khác
• 3.9. Chuẩn giao tiếp dữ liệu I2C
• 3.9.1. Giới thiệu chung
• 3.9.2. Đặc điểm của giao thức
• 3.9.3. Thiết bị chủ và tớ
• 3.9.4. Giao thức truyền – nhận dữ liệu
• 3.9.5. Các chế độ hoạt động của I2C
• 3.10. Kết quả chạy chương trình trên máy tính
• 3.11. Định dạng dữ liệu đầu ra trên Serial Monitor của Arduino
• 3.12. Công cụ Telementry Viewer
• 3.13. Phần mềm hỗ trợ giao tiếp không dây trên thiết bị Android
• 3.14. Kết quả thực nghiệm
• 3.14.1. Lắp đặt thiết bị
• 3.14.2. Quá trình kiểm nghiệm
• 3.14.3. Kết quả thu được
• 3.14.4. Dữ liệu trên giao diện máy tính
• 3.14.5. Dữ liệu được lưu vào thẻ SD card và giao tiếp thiết bị Android
• 3.14.6. Phân tích kết quả thực nghiệm
• 3.14.7. Kiểm nghiệm độ tin cậy cảm biến
• KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
• 4.1. Hướng phát triển của đề tài
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Thiết Bị Đo Dao Động Trên Ô Tô

Ngành giao thông vận tải, đặc biệt là vận tải hành khách, ngày càng phát triển, kéo theo sự đầu tư vào phương tiện công cộng như xe buýt. Nghiên cứu và chế tạo thiết bị đo dao động trên ô tô buýt trở nên cấp thiết, hỗ trợ kỹ sư thiết kế hệ thống treo. Thiết bị này giúp phân tích, đánh giá số liệu thu thập, đảm bảo độ êm dịu và yêu cầu động học của xe. Xe buýt đóng vai trò quan trọng trong xã hội, vận chuyển hàng triệu lượt hành khách mỗi ngày, giảm thiểu lưu lượng xe máy và ô nhiễm môi trường. Việc cải thiện chất lượng xe buýt, đặc biệt là độ êm dịu, là yếu tố quan trọng để thu hút và duy trì người sử dụng. Theo tài liệu gốc, việc sử dụng xe buýt giúp giảm thiểu trên 700.000 lượt xe máy tham gia giao thông trên đường phố. Điều này cho thấy vai trò quan trọng của xe buýt trong việc giảm tải cho hạ tầng giao thông và bảo vệ môi trường.

1.1. Lý Do Chọn Nghiên Cứu Thiết Bị Đo Dao Động

Xe buýt đóng vai trò thiết yếu trong cuộc sống hàng ngày, đặc biệt tại Việt Nam. Một hệ thống xe buýt chuyên nghiệp là yếu tố quan trọng cho một quốc gia phát triển. Thiết bị đo dao động hỗ trợ kỹ sư đánh giá và cải thiện hệ thống treo. Điều này góp phần nâng cao chất lượng dịch vụ và thu hút người sử dụng. Nghiên cứu này tập trung vào ứng dụng thực tế, giải quyết vấn đề dao động trên xe buýt hiện nay.

1.2. Ứng Dụng Của Thiết Bị Đo Dao Động Trong Thực Tế

Thiết bị đo dao động không chỉ dùng trong thiết kế hệ thống treo mà còn trong quá trình kiểm tra xe buýt mới lắp ráp. Đảm bảo độ êm dịu đạt tiêu chuẩn, đáp ứng yêu cầu động học của xe. Dữ liệu thu thập được từ thiết bị giúp phát hiện và khắc phục các vấn đề liên quan đến dao động, nâng cao sự an toàn và thoải mái cho hành khách.

II. Thách Thức và Vấn Đề Dao Động Trên Ô Tô Hiện Nay

Đường xá kém chất lượng ở Việt Nam là một thách thức lớn, đòi hỏi thiết kế xe phải có tính thực tiễn cao. Xe cần đáp ứng yêu cầu về độ êm dịu, tính tiện nghi và an toàn. Nguyên nhân chính của việc xe không đáp ứng được các yêu cầu trên là do xe chuyển động trên đường không bằng phẳng, bị kích thích liên tục bởi mấp mô mặt đường tạo nên dao động trên ô tô. Hầu hết các xe khách, xe bus đều có thiết kế xuất phát từ gầm xe tải, khi chuyển sang xe khách còn tồn tại nhiều vấn đề cần giải quyết như độ êm dịu chuyển động, phương án bố trí hệ thống truyền lực, phân bố tải trọng lên các cầu xe. Do đó, một yêu cầu lắp ráp theo đúng điều kiện địa hình thực tế nhằm đảm bảo được các yêu cầu đặt ra, tạo một tiền đề để thúc đẩy chất lượng của các thiết kế trên ô tô nói chung và trên xe buýt nói riêng.

2.1. Ảnh Hưởng Của Mấp Mô Mặt Đường Đến Dao Động Xe

Mặt đường không bằng phẳng là nguyên nhân chính gây ra dao động trên xe ô tô, đặc biệt là xe buýt. Các tác động từ mặt đường truyền qua hệ thống treo, gây ra sự rung lắc và khó chịu cho hành khách. Việc nghiên cứu và giảm thiểu ảnh hưởng của mấp mô mặt đường là yếu tố quan trọng để cải thiện độ êm dịu của xe.

2.2. Thiết Kế Hệ Thống Treo Chưa Phù Hợp Thực Tế

Nhiều xe buýt hiện nay có thiết kế hệ thống treo chưa phù hợp với điều kiện đường xá Việt Nam. Thiết kế thường dựa trên gầm xe tải, chưa tối ưu cho việc vận chuyển hành khách. Cần có nghiên cứu và cải tiến hệ thống treo để giảm thiểu dao động và nâng cao sự thoải mái cho người sử dụng.

2.3. Yêu Cầu Về Độ Êm Dịu Chuyển Động Cho Xe Buýt

Độ êm dịu chuyển động là một trong những tiêu chí quan trọng đánh giá chất lượng xe buýt. Dao động quá mức gây mệt mỏi và khó chịu cho hành khách, ảnh hưởng đến trải nghiệm đi lại. Việc kiểm soát và giảm thiểu dao động là cần thiết để nâng cao tính cạnh tranh và thu hút người sử dụng dịch vụ xe buýt.

III. Phương Pháp Xây Dựng Mô Hình Toán Học Dao Động Ô Tô

Để phân tích và giảm thiểu dao động trên ô tô, việc xây dựng mô hình toán học là cần thiết. Mô hình này giúp mô phỏng các yếu tố tác động lên xe, từ đó đưa ra các giải pháp cải thiện hệ thống treo. Các yếu tố cần xem xét bao gồm biên dạng mặt đường, đặc tính của hệ thống treo và khối lượng của xe. Mô hình thường được xây dựng dựa trên các giả thiết đơn giản hóa, nhưng vẫn đảm bảo tính chính xác cần thiết. Theo tài liệu gốc, việc xây dựng mô hình toán học giúp lặp phương trình cân bằng và phân tích các yếu tố tác động trên mô hình. Điều này cho phép kỹ sư hiểu rõ hơn về cơ chế dao động và đưa ra các giải pháp thiết kế hiệu quả.

3.1. Các Giả Thiết Khi Xây Dựng Mô Hình Dao Động Ô Tô

Để đơn giản hóa quá trình xây dựng mô hình, cần đưa ra một số giả thiết. Ví dụ, coi hệ thống treo là tuyến tính, bỏ qua ma sát và các yếu tố nhỏ khác. Tuy nhiên, cần đảm bảo các giả thiết này không ảnh hưởng quá lớn đến tính chính xác của mô hình.

3.2. Xây Dựng Mô Hình Dao Động Hai Cầu Trong Mặt Phẳng

Mô hình dao động hai cầu trong mặt phẳng là một cách tiếp cận phổ biến. Mô hình này xem xét dao động theo phương thẳng đứng và phương ngang, bỏ qua các yếu tố dao động phức tạp khác. Mô hình này đủ đơn giản để phân tích nhưng vẫn cung cấp thông tin hữu ích về dao động của xe.

3.3. Phân Tích Lực Tác Dụng Lên Các Thành Phần Của Mô Hình

Sau khi xây dựng mô hình, cần phân tích các lực tác dụng lên từng thành phần. Ví dụ, lực tác dụng lên khối lượng không được treo, lực tác dụng lên cơ cấu treo. Phân tích này giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến dao động và đưa ra các giải pháp giảm thiểu.

IV. Thiết Kế Chế Tạo Thiết Bị Đo Dao Động Trên Ô Tô

Việc thiết kế và chế tạo thiết bị đo dao động là bước quan trọng để thu thập dữ liệu thực tế. Thiết bị cần đảm bảo độ chính xác, độ tin cậy và dễ sử dụng. Các thành phần chính của thiết bị bao gồm cảm biến gia tốc, cảm biến vận tốc góc, bộ xử lý tín hiệu và hệ thống lưu trữ dữ liệu. Thiết bị cần có khả năng thu thập dữ liệu theo thời gian thực và hiển thị kết quả một cách trực quan. Theo tài liệu gốc, thiết bị cần đáp ứng các yêu cầu về thu thập dữ liệu từ cảm biến và hiển thị kết quả trên máy tính hoặc thiết bị Android.

4.1. Lựa Chọn Cảm Biến Phù Hợp Cho Thiết Bị Đo Dao Động

Cảm biến gia tốc và cảm biến vận tốc góc là hai thành phần quan trọng trong thiết bị đo dao động. Cần lựa chọn cảm biến có độ chính xác cao, dải đo phù hợp và khả năng chống nhiễu tốt. Các loại cảm biến MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) thường được sử dụng do kích thước nhỏ gọn và giá thành hợp lý.

4.2. Xây Dựng Sơ Đồ Khối Các Mô Đun Trên Thiết Bị

Thiết bị đo dao động bao gồm nhiều mô-đun chức năng khác nhau, như mô-đun cảm biến, mô-đun xử lý tín hiệu, mô-đun lưu trữ dữ liệu và mô-đun giao tiếp. Cần xây dựng sơ đồ khối chi tiết để xác định chức năng của từng mô-đun và cách chúng tương tác với nhau.

4.3. Tiến Hành Xây Dựng và Thiết Kế Mạch Điện Tử

Mạch điện tử là nền tảng vật lý của thiết bị đo dao động. Cần thiết kế mạch điện tử đảm bảo kết nối chính xác giữa các thành phần, cung cấp nguồn điện ổn định và xử lý tín hiệu một cách hiệu quả. Việc sử dụng phần mềm thiết kế mạch điện tử chuyên dụng giúp tăng tốc quá trình thiết kế và giảm thiểu sai sót.

V. Ứng Dụng và Kết Quả Nghiên Cứu Đo Dao Động Thực Tế

Sau khi chế tạo xong thiết bị, cần tiến hành thử nghiệm thực tế trên xe buýt. Dữ liệu thu thập được sẽ được phân tích để đánh giá hiệu quả của hệ thống treo và xác định các vấn đề cần cải thiện. Kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng để thiết kế hệ thống treo tốt hơn, giảm thiểu dao động và nâng cao sự thoải mái cho hành khách. Các thử nghiệm có thể bao gồm chạy xe trên các loại địa hình khác nhau, đo dao động ở các vị trí khác nhau trên xe và so sánh kết quả với các tiêu chuẩn về độ êm dịu. Theo tài liệu gốc, nhóm đã thực hiện các thử nghiệm như tăng tốc, phanh đột ngột và chạy trên đường mấp mô để đánh giá thiết bị.

5.1. Quá Trình Lắp Đặt Thiết Bị Đo Dao Động Trên Xe Buýt

Việc lắp đặt thiết bị đo dao động cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo dữ liệu thu thập được chính xác. Cần xác định vị trí lắp đặt cảm biến phù hợp, đảm bảo kết nối chắc chắn và tránh nhiễu từ các nguồn khác. Vị trí lắp đặt thường là gần hệ thống treo hoặc trên khung xe.

5.2. Các Thử Nghiệm Kiểm Nghiệm Độ Tin Cậy Của Thiết Bị

Để đảm bảo độ tin cậy của thiết bị, cần thực hiện các thử nghiệm kiểm nghiệm. Ví dụ, so sánh kết quả đo được với thiết bị tiêu chuẩn, kiểm tra độ ổn định của cảm biến và đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm. Các thử nghiệm này giúp xác định sai số và các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của thiết bị.

5.3. Phân Tích Kết Quả Thu Được Từ Các Thử Nghiệm

Dữ liệu thu thập được từ các thử nghiệm cần được phân tích kỹ lưỡng. Sử dụng các công cụ phân tích dữ liệu để xác định các thông số quan trọng, như tần số dao động, biên độ dao động và gia tốc dao động. Phân tích này giúp đánh giá hiệu quả của hệ thống treo và xác định các vấn đề cần cải thiện.

VI. Kết Luận Hướng Phát Triển Thiết Bị Đo Dao Động Ô Tô

Nghiên cứu và chế tạo thiết bị đo dao động trên ô tô buýt là một bước tiến quan trọng trong việc cải thiện chất lượng dịch vụ vận tải hành khách. Thiết bị giúp kỹ sư thiết kế hệ thống treo tốt hơn, giảm thiểu dao động và nâng cao sự thoải mái cho hành khách. Trong tương lai, thiết bị có thể được tích hợp thêm nhiều tính năng mới, như kết nối không dây, phân tích dữ liệu trực tuyến và cảnh báo về các vấn đề tiềm ẩn. Việc phát triển thiết bị này không chỉ có ý nghĩa về mặt kỹ thuật mà còn góp phần vào sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô Việt Nam. Theo tài liệu gốc, một hướng phát triển tiềm năng là truyền nhận dữ liệu từ xa thông qua sóng radio hoặc internet.

6.1. Tóm Tắt Kết Quả Đạt Được Trong Nghiên Cứu

Nghiên cứu đã thành công trong việc thiết kế và chế tạo thiết bị đo dao động trên ô tô buýt. Thiết bị hoạt động ổn định, cung cấp dữ liệu chính xác và dễ sử dụng. Các thử nghiệm thực tế đã chứng minh hiệu quả của thiết bị trong việc đánh giá hệ thống treo và xác định các vấn đề cần cải thiện.

6.2. Hướng Phát Triển Tiềm Năng Cho Thiết Bị Đo Dao Động

Trong tương lai, thiết bị có thể được tích hợp thêm nhiều tính năng mới. Ví dụ, kết nối không dây cho phép truyền dữ liệu từ xa, phân tích dữ liệu trực tuyến giúp theo dõi tình trạng xe theo thời gian thực và cảnh báo về các vấn đề tiềm ẩn giúp ngăn ngừa sự cố.

6.3. Ứng Dụng Rộng Rãi Trong Ngành Công Nghiệp Ô Tô Việt Nam

Thiết bị đo dao động có thể được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp ô tô Việt Nam. Ví dụ, sử dụng trong quá trình kiểm tra chất lượng xe, đánh giá hiệu quả của hệ thống treo và phát triển các hệ thống treo mới. Thiết bị này góp phần nâng cao chất lượng xe ô tô sản xuất trong nước và tăng cường khả năng cạnh tranh trên thị trường.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh nền kinh tế và đô thị hóa tại Việt Nam phát triển nhanh chóng, nhu cầu vận tải hành khách công cộng bằng xe buýt và ô tô khách đóng vai trò thiết yếu nhằm giảm tải áp lực giao thông cá nhân, giảm thiểu tai nạn và hạn chế ô nhiễm môi trường. Theo các số liệu thống kê được tác giả trích dẫn, mạng lưới đường bộ Việt Nam (tính đến tháng 02/2014) có khoảng 300.000 km, trong đó hệ thống quốc lộ chỉ có 47% đạt tiêu chuẩn kỹ thuật cấp I đến cấp III, còn lại 53% là đường cấp thấp (cấp IV và cấp V). Bề rộng mặt đường từ 7 m trở lên chỉ chiếm 46%, còn lại là đường hẹp và nhiều mấp mô. Sự không bằng phẳng của mặt đường là nguồn kích thích động học liên tục gây ra rung động trên xe, tác động xấu đến sức khỏe hành khách và độ bền các cụm chi tiết cơ khí.

Thực trạng sản xuất ô tô khách tại Việt Nam phần lớn dựa trên việc nhập khẩu khung gầm sắt xi cơ sở (từ Hàn Quốc, Trung Quốc) hoặc hoán cải từ xe chở khách tiêu chuẩn, sau đó tiến hành đóng mới vỏ, bố trí nội thất theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 09. Khi hoán cải hoặc lắp ráp mới, việc chuyển đổi kết cấu gầm và phân bố tải trọng đặt ra yêu cầu phải kiểm tra, đánh giá chính xác độ êm dịu chuyển động của hệ thống treo. Do đó, việc nghiên cứu và chế tạo một thiết bị chuyên dụng đo đạc dao động trên ô tô buýt phục vụ công tác thiết kế, thử nghiệm và kiểm định là nhu cầu thực tiễn cấp bách.

Tác giả xác định 8 nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể cần giải quyết trong đồ án:

1. Nghiên cứu các chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu trên ô tô và các thông số kỹ thuật của hệ thống treo.
2. Khảo sát ảnh hưởng trực tiếp của dao động đến sức khỏe con người và các ngưỡng chịu đựng của cơ thể đối với dao động.
3. Xây dựng mô hình toán học dao động ô tô, thiết lập các phương trình cân bằng và phân tích các yếu tố tác động trên mô hình.
4. Xây dựng sơ đồ khối thiết bị và xác định các yêu cầu kỹ thuật cần đáp ứng trên thiết bị đo dao động.
5. Tiến hành giao tiếp, thu thập dữ liệu từ các cảm biến và mô-đun trong hệ thống phần cứng.
6. Xây dựng giao diện hiển thị kết quả đo dạng đồ thị thời gian thực trên máy tính.
7. Xây dựng ứng dụng trên thiết bị Android để thu thập và hiển thị dữ liệu qua kết nối không dây Bluetooth.
8. Đánh giá kết quả đo và kiểm nghiệm độ tin cậy của dữ liệu thu được so với thiết bị tiêu chuẩn.

• Đối tượng nghiên cứu: Dao động trên ô tô khách, ô tô buýt; các thông số động lực học gồm gia tốc dịch chuyển thẳng đứng của khung vỏ và vận tốc góc xoay quanh 3 trục (Roll, Pitch, Yaw).
• Phạm vi nghiên cứu: Thiết bị đo phần cứng nhúng xây dựng trên nền tảng vi điều khiển ATmega2560; mô hình toán học phẳng khảo sát ô tô 2 cầu; kiểm nghiệm thực tế trên phương tiện trong điều kiện đường sá tại Việt Nam năm 2020.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án tiếp cận bài toán động lực học dựa trên hệ thống tổng thể "Đường – Ô tô – Con người", xem xét mối quan hệ tương hỗ giữa kích động mặt đường, phản ứng dao động của kết cấu xe và mức độ cảm nhận sinh lý của hành khách:

• Kích động mặt đường: Phân loại theo Iasenko và Prutrikop thành 3 nhóm (mấp mô đơn vị, mấp mô dạng hàm điều hòa Sin/Cos, mấp mô biến đổi liên tục ngẫu nhiên).
• Tần số dao động riêng: Xác định theo công thức $\omega = \sqrt{C / M}$. Giới hạn tần số dao động thích hợp đối với xe con là $60 \div 90$ lần/phút ($1 \div 1,5\text{ Hz}$), xe tải là $90 \div 120$ lần/phút ($1,6 \div 2\text{ Hz}$), và kiến nghị đối với xe sản xuất lắp ráp trong nước là dưới $2,5\text{ Hz}$.
• Gia tốc giới hạn: Các ngưỡng gia tốc cho phép theo 3 trục tọa độ gồm trục dọc $\ddot{X} < 1,0\text{ m/s}^2$, trục ngang $\ddot{Y} < 0,7\text{ m/s}^2$, trục đứng $\ddot{Z} < 2,5\text{ m/s}^2$.
• Hệ số êm dịu chuyển động ($K$): Đánh giá dựa trên gia tốc dao động $\ddot{Z}$, hệ số hấp thụ $K_y$ và giá trị hiệu dụng bình phương trung bình RMS của gia tốc.
• Tiêu chuẩn đánh giá: Sử dụng tiêu chuẩn quốc tế ISO 2631-1:1997 và Tiêu chuẩn Việt Nam tương đương TCVN 6964-1:2001 nhằm đánh giá mức độ ảnh hưởng của trọng số gia tốc bình phương trung bình ($a_w$) đối với cơ thể người.

Trọng số gia tốc $a_w$ ($\text{m/s}^2$)	Mức độ cảm nhận và phản ứng của cơ thể
$< 0,315$	Không có cảm giác khó chịu
$0,315 \div 0,63$	Có cảm giác chút ít về sự không thoải mái
$0,5 \div 1,0$	Khá là không thoải mái
$0,8 \div 1,6$	Không thoải mái
$1,25 \div 2,5$	Rất không thoải mái
$> 2,0$	Cực kỳ không thoải mái

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa mô hình hóa lý thuyết và thực nghiệm chế tạo:

• Phương pháp lý thuyết: Thiết lập mô hình động lực học ô tô 2 cầu trong mặt phẳng dọc dựa trên cơ học giải tích, thành lập hệ phương trình vi phân mô tả chuyển động của khối lượng được treo và không được treo.
• Phương pháp thiết kế hệ thống nhúng: Lựa chọn linh kiện bán dẫn, thiết kế mạch nguyên lý, lập trình vi điều khiển giao tiếp đa cảm biến và lập trình giao diện hiển thị.
• Phương pháp thực nghiệm: Gắn thiết bị cùng hệ thống cảm biến lên xe thực tế, chạy thử nghiệm qua các bài kiểm tra chuyên biệt (tăng tốc/phanh, vượt dốc gờ cầu, đường gồ ghề, đánh lái) để thu thập dữ liệu và so sánh đối chứng với thiết bị chuẩn.

Thiết kế và triển khai thiết bị đo dao động

Căn cứ vào việc khảo sát các hệ thống đo lường chuyên dụng như mạng truyền dữ liệu thời gian thực trên đường đua Công thức 1 (Formula 1) và thiết bị kiểm tra ô tô VBOX 3i (hãng Racelogic), tác giả đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một bộ thiết bị đo dao động chuyên dụng đáp ứng các điều kiện vận hành trên ô tô buýt.

Thành phần / Mô-đun	Thông số kỹ thuật / Tên linh kiện	Chức năng trong hệ thống
Mạch điều khiển trung tâm	Vi điều khiển ATmega2560-16AU	Đọc dữ liệu cảm biến, xử lý tín hiệu, điều phối giao tiếp UART, SPI, I2C
Mô-đun cảm biến gia tốc	04 cảm biến MPU6050	Đo gia tốc dịch chuyển thẳng đứng tại các vị trí trên thân xe và cầu xe
Mô-đun cảm biến con quay hồi chuyển	01 cảm biến L3G4200D	Đo vận tốc góc 3 trục (Roll, Pitch, Yaw)
Mô-đun mở rộng I2C	Chip TCA9548A (8 kênh)	Phân kênh I2C, giải quyết xung đột địa chỉ của 4 cảm biến MPU6050
Mô-đun định vị GPS	EVK-6PPP u-blox (kèm ăng-ten SMA)	Đo tọa độ và vận tốc di chuyển thực tế của phương tiện
Mô-đun truyền thông không dây	Module Bluetooth HC-06	Truyền luồng dữ liệu không dây về thiết bị di động Android
Mô-đun lưu trữ dữ liệu	Arduino Micro SD Shield (SPI)	Ghi nhận và lưu trữ toàn bộ dữ liệu đo vào thẻ nhớ định dạng text
Mạch chuyển đổi giao tiếp	CP2102 (USB-UART), RS232-TTL	Kết nối máy tính và chuyển mức tín hiệu từ GPS về vi điều khiển
Kết cấu vỏ hộp thiết bị	Kích thước: $161 \times 71 \times 200\text{ mm}$	5 cổng RJ45 (cảm biến), 2 USB Type-B, 1 SMA (GPS), 1 cổng nguồn DC 12V

Thiết bị được thiết kế triển khai đồng bộ với hai hệ thống phần mềm nhận dữ liệu:

• Giao diện hiển thị trên máy tính: Sử dụng phần mềm Telemetry Viewer thông qua cổng Serial UART của vi điều khiển, hiển thị đồng thời các biểu đồ sóng tín hiệu gia tốc và vận tốc góc theo thời gian thực.
• Ứng dụng trên nền tảng Android: Nhận chuỗi dữ liệu qua Bluetooth HC-06, hiển thị các thông số tức thời trên màn hình điện thoại và tự động sao lưu thành file dữ liệu TEST.txt phục vụ công tác xử lý hậu kỳ.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về đề tài nghiên cứu

Chương này tổng kết bối cảnh phát triển giao thông vận tải và ngành công nghiệp sản xuất, lắp ráp ô tô khách tại Việt Nam (với các đơn vị tiêu biểu như THACO, SAMCO, TRACOMECO). Tác giả lược khảo các công trình nghiên cứu dao động trong nước (Lưu Văn Tuấn nghiên cứu xe khách Ba Đình; Võ Văn Hường xây dựng mô hình dao động không gian xe tải nhiều cầu; Đào Mạnh Hùng; Nguyễn Hữu Cẩn; Phạm Văn Lang; Nguyễn Phúc Hiểu) và các công trình quốc tế (Iasenco, Gaichev L.V, Ravara V.I, Siliaev, Menhicov). Phân tích chi tiết mô hình tương tác "Đường – Ô tô – Con người", cơ chế sinh lý học khi cơ thể người chịu dao động (tần số $3 \div 5\text{ Hz}$ gây rối loạn tiền đình; $3 \div 11\text{ Hz}$ ảnh hưởng nội tạng; $11 \div 45\text{ Hz}$ giảm thị lực, buồn nôn; say sóng xảy ra mạnh nhất ở tần số $0,125 \div 0,25\text{ Hz}$). Xác lập hệ thống chỉ tiêu đánh giá độ êm dịu theo tiêu chuẩn ISO 2631-1:1997 và TCVN 6964-1:2001.

Chương 2: Mô hình toán học dao động ô tô

Chương 2 tập trung xây dựng mô hình dao động phẳng tương đương cho ô tô 2 cầu với các giả thiết: khối lượng xe phân bố đối xứng qua trục dọc, khối lượng được treo ($m$) là thanh cứng tuyệt đối liên kết với khối lượng không được treo ở cầu trước ($m_1$) và cầu sau ($m_2$) thông qua các phần tử đàn hồi ($C_1, C_2$) và giảm chấn ($K_1, K_2$). Lốp xe được mô hình hóa bằng hệ số đàn hồi ($C_{L1}, C_{L2}$) và hệ số cản ($K_{L1}, K_{L2}$). Tác giả tiến hành khai triển phương trình vi phân cân bằng lực cho từng thành phần:

• Khối lượng không được treo cầu trước: $m_1 \ddot{\xi}1 = F_1 - K{L1}(\dot{\xi}_1 - \dot{q}1) - C{L1}(\xi_1 - q_1) - m_1 g$.
• Cơ cấu treo cầu trước: $F_1 = K_1(\dot{Z}_1 - \dot{\xi}_1) + C_1(Z_1 - \xi_1)$.
• Khối lượng không được treo cầu sau: $m_2 \ddot{\xi}2 = F_2 - K{L2}(\dot{\xi}_2 - \dot{q}2) - C{L2}(\xi_2 - q_2) - m_2 g$.
• Cơ cấu treo cầu sau: $F_2 = K_2(\dot{Z}_2 - \dot{\xi}_2) + C_2(Z_2 - \xi_2)$.
• Khối lượng được treo toàn xe: Thiết lập phương trình cân bằng chuyển dịch thẳng đứng $z$ và góc xoay lắc dọc của thân xe dưới tác dụng của các lực liên kết $F_1, F_2$.

Chương 3: Thiết bị đo dao động

Chương 3 trình bày toàn bộ quy trình thiết kế, chế tạo phần cứng, cấu hình giao thức truyền thông và kết quả thử nghiệm thực tế. Tác giả phân tích chi tiết cấu trúc bus giao tiếp I2C, giải quyết triệt để vấn đề xung đột địa chỉ phần cứng của 4 cảm biến MPU6050 bằng mô-đun phân kênh TCA9548A. Thiết lập lưu đồ thuật toán đọc dữ liệu từ MPU6050, L3G4200D và GPS u-blox, xuất dữ liệu đồng thời qua cổng Serial UART, thẻ nhớ Micro SD và Bluetooth HC-06. Chương này cũng ghi lại kết quả thử nghiệm thực tế qua 4 bài kiểm tra:

1. Bài kiểm tra tăng tốc và phanh đột ngột.
2. Bài kiểm tra tăng tốc qua gờ cầu.
3. Bài kiểm tra trên đoạn đường mấp mô.
4. Bài kiểm tra đánh lái quay vòng. Tiến hành đối chiếu dạng sóng gia tốc và vận tốc góc gyro đo được với thiết bị đo tiêu chuẩn để đánh giá độ chính xác và độ tin cậy.

Chương 4: Kết luận và hướng phát triển của đề tài

Tổng kết các kết quả đạt được về mặt phần cứng và phần mềm của thiết bị đo dao động; đề xuất định hướng phát triển nâng cấp hệ thống truyền nhận dữ liệu tầm xa qua sóng vô tuyến hoặc mạng Internet tốc độ cao để truyền về nhiều máy chủ phân tích.

Kết quả và đóng góp

• Kết quả kỹ thuật đạt được:
  • Chế tạo hoàn thiện thiết bị đo dao động nhỏ gọn (kích thước $161 \times 71 \times 200\text{ mm}$), hoạt động ổn định với nguồn DC 12V trên xe.
  • Tích hợp thành công 4 cảm biến gia tốc MPU6050 qua chip mở rộng TCA9548A, 1 cảm biến gyro L3G4200D, 1 mô-đun GPS u-blox EVK-6PPP, 1 mô-đun thẻ nhớ Micro SD Shield và 1 mô-đun Bluetooth HC-06 trên nền vi điều khiển ATmega2560-16AU.
  • Đọc, xử lý và phân phối đồng thời luồng dữ liệu thời gian thực lên phần mềm Telemetry Viewer trên máy tính, ứng dụng hiển thị trên điện thoại Android và lưu trữ an toàn vào thẻ nhớ.
  • Thử nghiệm thực tế qua 4 bài kiểm tra vận hành cho thấy dữ liệu gia tốc và góc lắc phản ánh chính xác trạng thái động lực học của xe; kết quả đối chiếu với thiết bị tiêu chuẩn cho thấy sự tương đồng cao về biên độ và dạng sóng dao động.
• Đóng góp của đề tài:
  • Cung cấp một giải pháp thiết bị đo kiểm dao động ô tô tự chủ trong nước với chi phí thấp, thay thế các hệ thống ngoại nhập đắt tiền trong công tác đào tạo và nghiên cứu kỹ thuật.
  • Hỗ trợ trực tiếp cho các kỹ sư ngành ô tô công cụ thực nghiệm để khảo sát, đánh giá độ êm dịu chuyển động của hệ thống treo trên các dòng xe khách, xe buýt sản xuất, lắp ráp và hoán cải tại Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế:
  • Hệ thống truyền dữ liệu không dây hiện tại sử dụng sóng Bluetooth HC-06 nên phạm vi truyền ngắn, đòi hỏi kỹ sư hoặc người vận hành phải có mặt trực tiếp trên xe trong quá trình chạy thử nghiệm.
  • Thiết bị mới chỉ truyền dữ liệu cục bộ về một máy tính hoặc một thiết bị Android duy nhất, chưa hỗ trợ đồng bộ hóa dữ liệu trực tuyến.
• Hướng phát triển tiếp:
  • Nghiên cứu ứng dụng công nghệ truyền dữ liệu tầm xa bằng sóng vô tuyến (radio) công suất lớn hoặc kết nối mạng Internet tốc độ cao (4G/5G/IoT).
  • Xây dựng hệ thống máy chủ đám mây cho phép phân phối và chia sẻ dữ liệu đo lường trực tuyến đến nhiều phòng thí nghiệm hoặc kỹ sư phân tích từ xa mà không cần trực tiếp có mặt trên phương tiện.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên cao học và giảng viên thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Cơ khí Động lực và Cơ điện tử. Tài liệu cung cấp phương pháp luận rõ ràng trong việc xây dựng mô hình toán học dao động ô tô (Chương 2), đồng thời là hướng dẫn thực hành giá trị về thiết kế hệ thống nhúng thu thập dữ liệu đa cảm biến qua chuẩn I2C, UART, SPI và lập trình giao diện thời gian thực (Chương 3). Ngoài ra, các kỹ sư R&D tại các nhà máy sản xuất, lắp ráp ô tô khách (như THACO, SAMCO, TRACOMECO) có thể sử dụng tài liệu này để tham khảo quy trình chế tạo thiết bị đo kiểm phục vụ đánh giá độ êm dịu và tối ưu hóa hệ thống treo khí nén trên xe.

Câu hỏi thường gặp

1. Vi điều khiển trung tâm và các loại cảm biến nào được sử dụng trong thiết bị đo dao động này?
Thiết bị sử dụng vi điều khiển ATmega2560-16AU (kiến trúc RISC 8-bit) làm mạch điều khiển trung tâm; hệ thống cảm biến gồm 04 cảm biến gia tốc MPU6050 (đo gia tốc dịch chuyển thẳng đứng), 01 cảm biến con quay hồi chuyển 3 trục L3G4200D (đo vận tốc góc Roll, Pitch, Yaw) và 01 mô-đun GPS u-blox EVK-6PPP (đo tọa độ và vận tốc xe).

2. Tác giả đã giải quyết vấn đề trùng địa chỉ bus I2C khi kết nối đồng thời nhiều cảm biến MPU6050 như thế nào?
Tác giả sử dụng mô-đun mở rộng I2C dựa trên chip TCA9548A (8 kênh). Bằng cách lập trình điều khiển các bit lựa chọn kênh trong thanh ghi điều khiển của TCA9548A, vi điều khiển ATmega2560 có thể giao tiếp tuần tự với từng cảm biến MPU6050 trên các kênh độc lập mà không bị xung đột địa chỉ I2C.

3. Đồ án sử dụng tiêu chuẩn và chỉ tiêu nào để đánh giá mức độ ảnh hưởng của dao động đến cơ thể người?
Đồ án áp dụng tiêu chuẩn quốc tế ISO 2631-1:1997 và Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6964-1:2001. Chỉ tiêu đánh giá chính dựa trên trọng số gia tốc bình phương trung bình RMS ($a_w$) tính bằng $\text{m/s}^2$ đối với chuyển động tịnh tiến và $\text{rad/s}^2$ đối với chuyển động quay, phân cấp mức độ từ không khó chịu ($< 0,315\text{ m/s}^2$) đến cực kỳ không thoải mái ($> 2,0\text{ m/s}^2$).

4. Dữ liệu đo đạc từ thiết bị được xuất ra và hiển thị qua các kênh nào?
Dữ liệu được xuất đồng thời qua 3 kênh: hiển thị đồ thị sóng thời gian thực trên máy tính thông qua phần mềm Telemetry Viewer (giao tiếp Serial UART), hiển thị trên ứng dụng điện thoại Android qua kết nối Bluetooth HC-06 (đồng thời lưu file TEST.txt), và lưu trữ trực tiếp vào thẻ nhớ thông qua mô-đun Arduino Micro SD Shield (giao tiếp SPI).

5. Thiết bị đã trải qua những bài thử nghiệm vận hành thực tế nào?
Thiết bị đã được lắp đặt trực tiếp trên phương tiện và kiểm nghiệm qua 4 bài thử nghiệm: tăng tốc và phanh đột ngột, tăng tốc vượt gờ cầu, chuyển động trên đoạn đường có mấp mô gồ ghề, và bài thử nghiệm đánh lái quay vòng.

Kết luận

Đồ án đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu nghiên cứu lý thuyết động lực học dao động ô tô và chế tạo thành công thiết bị phần cứng đo dao động trên ô tô buýt sử dụng vi điều khiển ATmega2560 kết hợp hệ thống đa cảm biến. Thiết bị đáp ứng tốt các yêu cầu thu thập, hiển thị trực quan và lưu trữ dữ liệu thời gian thực với độ tin cậy được kiểm chứng qua đối chiếu thực nghiệm. Đây là công trình kỹ thuật có tính ứng dụng thực tiễn cao, đóng góp công cụ hỗ trợ hữu ích cho công tác nghiên cứu, thiết kế và kiểm tra hệ thống treo ô tô khách tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

mở đầu quá trình phát triển, trong đó tiên phong là hàng ô tô do tập đoàn VinGroup đầu tư với thương hiệu VinFast. Trước thời điểm này, nguồn ô tô phục vụ trong nước chủ yếu là nhập khẩu hoặc lắp ráp trong nước. Nước ta đã bắt đầu thực hiện liên doanh với các công ty nước ngoài từ những năm đầu của thập kỷ 90. Hiện tại đã có 14 liên doanh đã và đang hoạt động như: TOYOTA, MERCEDES-BENZ VMC, DEAWOO, MITSUBISHI, NISSAN, FORD…Tại đây, ô tô được lắp ráp trên dây chuyền hiện đại, được nghiên cứu và phát triển bới những kĩ sư hàng đầu.

Công nghệ lắp ráp ô tô ở nước ta cũng dần phát triển từ loại hình SKD sang CKD1, CKD2 và trong tương lai là lắp ráp IKD. Trong loại hình lắp ráp IKD nhiều chi tiết, các hệ thống tổng thành được thiết kế chế tạo trong nước là các hệ thông treo, khung, vỏ… Tuy các ô tô được lắp ráp trên dây chuyền công nghệ hiện đại, áp dụng các thành tựu khoa học kĩ thuật. Song một thực tế là đường xá kém chất lượng ở Việt Nam đòi hỏi một thiết kế có tính thiết thực cao hơn, phục vụ tốt hơn trong điều kiện nội tại, các thiết kế phải đáp ứng được các yêu cầu về độ êm dịu chuyển động, tính tiện nghi, an toàn… Nguyên nhân chính của việc xe không đáp ứng được các yêu cầu trên là do xe chuyển động trên đường không bằng phẳng, bị kích thích liên tục bởi mấp mô mặt đường tạo nên dao động trên ô tô. Mặt khác, hầu hết các xe khách, xe bus đều đều có thiết kế xuất phát từ gầm xe tải, khi chuyển sang xe khách còn tồn tại nhiều vấn đề cần giải quyết như độ êm dịu chuyển động, phương án bố trí hệ thống truyền lực, phân bố tải trọng lên các cầu xe.

Do đó, một yêu cầu 1 lắp ráp theo đúng điều kiện địa hình thực tế nhằm đảm bảo được các yêu cầu đặt ra, tạo một tiền đề để thúc đẩy chất lượng của các thiết kế trên ô tô nói chung và trên xe buýt nói riêng. Xuất phát từ những phân tích, lập luận trên cùng với đó là những gợi ý từ GVHD Nguyễn Trung Hiếu, nhóm chúng em quyết định thực hiện đề tài: “Nghiên cứu, chế tạo thiết bị đo dao động trên xe buýt”. Em xin chân thành cảm ơn thầy GVHD Nguyễn Trung Hiếu đã tận tình hỗ trợ nhóm chúng em trong suốt quá trình thực hiện đồ án, Ngoài những kiến thức được thầy bổ trở thêm trong quá trình làm việc, nhóm chúng em còn được học tập tác phong làm việc của một kĩ sư chuyên nghiệp. Qua đây, em xin chân thành cảm ơn va chúc thầy luôn mạnh khỏe, luôn sang suốt trong công việc cũng như cuộc sống, tiếp tục đạo tạo thêm nhiều thế hệ kĩ sư ô tô phụ vụ cho nền công nghiệp Việt Nam nói chung và nền công nghiệp ô tô nói riêng.

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1. Lí do chọn đề tài Xe buýt là một phần thiết yếu của cuộc sống hàng ngày và đóng một vai trò quan trọng trong cơ cấu xã hội ở nhiều nước nói chung và đặc biệt là Việt Nam ta nói riêng. Một nước phát triển vươn tầm thế giới thì không thể thiếu được hệ thống xe buýt, quản lí, dịch vụ chuyên nghiệp. Xe buýt đã trở thành thói quen không thể thiếu trong đời sống của nhiều người dân, đặc biệt là cán bộ hưu trí và học sinh, sinh viên.

Ước tính trung bình mỗi ngày xe buýt vận hành trên 10.000 lượt xe, vận chuyển được trên 1 triệu lượt hành khách, hạn chế trên 700.000 lượt xe máy tham gia giao thông trên đường phố.