MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION GRADUATION THESIS MECHATRONICS ENGINEERING TECHNOLOGY RESEARCH AND DEVELOPMENT OF INTELLIGENT SELF-BALANCING ELECTRIC ASSIST BICYCLE INSTRUCTOR: PhD. VU QUANG HUY STUDENT: TRINH MINH PHUC BUI QUOC HOANG SKL013384 Ho Chi Minh City, July 2024 Ho Chi Minh City University of Technology and Education Faculty of International Education GRADUATION THESIS REPORT RESEARCH AND DEVELOPMENT OF INTELLIGENT SELF-BALANCING ELECTRIC ASSIST BICYCLE Advisor: Ph.D Vu Quang Huy Students: Trinh Minh Phuc 20146029 Bui Quoc Hoang 19146187 Ho Chi Minh, July 2024 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM THUẬT TP. HCM Độc lập - Tự do – Hạnh phúc KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Học kỳ II / năm học 2023-2024 Giảng viên hướng dẫn: TS. Vũ Quang Huy Sinh viên thực hiện: Trịnh Minh Phúc MSSV: 20146029 Điện thoại: 0908625596 Bùi Quốc Hoàng MSSV: 19146187 Điện thoại: 0987853629 Đề tài tốt nghiệp: Mã số đề tài: CDT – 64 Tên đề tài: Nghiên cứu phát triển xe đạp trợ lực điện tự cân bằng thông minh 2.
Các số liệu, tài liệu ban đầu: Khung xe với kích thước tổng quát 2050 x 640 x 1200 mm 3. Nội dung chính của đồ án: Tính toán động lực học của bánh đà cân bằng Thiết kế hệ thống điều khiển xe thông minh Thiết kế các phần cứng cơ khí phù hợp với mô hình 4. Các sản phẩm dự kiến Báo cáo đồ án Bản vẽ thiết kế mô hình Mô hình sản phẩm là xe đạp với trợ lực điện và tính năng tự cân bằng 5. Ngôn ngữ trình bày: Bản báo cáo: Tiếng Anh Tiếng Việt Trình bày bảo vệ: Tiếng Anh Tiếng Việt TRƯỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên) i LỜI CAM KẾT Tên đề tài: Nghiên cứu phát triển xe đạp trợ lực điện tự cân bằng thông minh GVHD: TS.
Vũ Quang Huy - Họ tên Sinh viên 1: Trịnh Minh Phúc MSSV: 20146029 Lớp: 20146CLA1 Sdt: 0908625596 Email: minhphuc5225@gmail.com - Họ tên sinh viên 2: Bùi Quốc Hoàng MSSV: 19146187 Lớp: 19146CL3B Sdt: 0987853629 Email: buiquochoang2403@gmail.com - Ngày nộp khóa luận tốt nghiệp: 06/07/2024 - Lời cam kết: “Nhóm chúng tôi xin cam đoan khoá luận tốt nghiệp (ĐATN) này là công trình do chính chúng tôi nghiên cứu và thực hiện. Tôi không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã được công bố mà không trích dẫn nguồn gốc. Nếu có bất kỳ một sự vi phạm nào, chúng tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm”. Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 06 năm 2024 Nhóm tác giả Ký tên ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, nhóm chúng em xin được phép gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Ts.
Vũ Quang Huy, vì những đóng góp và hỗ trợ quý báu mà Thầy đã dành cho nhóm trong suốt quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp. Nhờ có sự tận tâm và hướng dẫn kỹ càng của Thầy mà nhóm chúng em đã hoàn thành tốt các yêu cầu của luận văn. Chúng con xin cám ơn ba mẹ đã hỗ trợ cơ sở vật chất đầy đủ và luôn động viên tinh thần để nhóm hoàn thành tốt đồ án, xin cám ơn các anh em, bạn bè đã luôn động viên, hỗ trợ khi cần thiết giúp nhóm phát triển tốt hơn trong quá trình thực hiện đồ án. Nhóm chúng em xin cám ơn bác Hoàng Đăng Thụ, anh Phạm Thanh Hải cùng các anh em ở Công ty TNHH cơ khí Hoàng Gia đã hỗ trợ nhiệt tình và giúp nhóm hoàn thành tốt phần cơ khí cũng như phần cứng của đồ án.
Cuối cùng xin dành lời cảm ơn đến Trường Đại học Sư Phạm Kĩ Thuật TP. HCM, đặc biệt là các Thầy Cô đã truyền đạt những kiến thức bổ ích và tận tâm trong suốt khoảng thời gian chúng em học tập tại trường, giúp chúng em có những kiến thức vững vàng để chuẩn bị bước ra những cánh cửa lớn hơn và đầy đủ sự tự tin trong tương lai. iii TÓM TẮT ĐỒ ÁN TÊN ĐỀ TÀI Nghiên cứu, phát triển mô hình xe đạp trợ lực điện tự cân bằng thông minh Hiện nay, khi nhu cầu đô thị hóa ngày càng tăng cao, các thành phố lớn luôn mong muốn hướng tới phát triển theo hướng bền vững xanh, và phương tiện giao thông cũng góp một phần không nhỏ trong việc hướng tới lối sống xanh đó. Xe đạp có lẽ là một phương tiện đáng mong đợi khi nó không phát thải ra môi trường, bền vững, dễ bảo trì và sửa chữa, và đạp xe còn giúp chúng ta có một cơ thể săn chắc và khỏe mạnh.
Tuy nhiên, xe đạp cũng có một nhược điểm là phụ thuộc vào sức khỏe của người đạp. Nếu muốn di chuyển một quãng đường xa thì cần rất nhiều sức khỏe. Ví dụ, trong thành phố giá thuê nhà quá cao và chúng ta phải sống ở ngoại ô, thì quãng đường di chuyển có thể rất xa, từ 40 km trở lên, và lúc này xe đạp lại không phải là một lựa chọn hợp lý. Có một loại phương tiện tuy có phát thải nhiều hơn xe đạp nhưng cũng ở mức độ vừa phải và vẫn bảo vệ môi trường, đó chính là xe máy điện.
Nó có thể giúp ta đi được quãng đường xa mà không mất quá nhiều sức như khi đi xe đạp. Với những lý do nêu trên, nhóm đã nghiên cứu và mong muốn tạo ra một sản phẩm kết hợp được sự nhẹ nhàng linh hoạt của xe đạp, nhưng lại giúp ta có thể đi xa mà đỡ tốn sức hơn. Nhóm đã hiện thực hóa ý tưởng tạo ra một chiếc xe đạp với tính năng trợ lực điện và có thể tự cân bằng một cách thông minh. Xe đạp trợ lực điện đã và đang phát triển rất mạnh trong những năm gần đây, khi nhu cầu con người cần có một chiếc xe đạp có thể sử dụng hàng ngày nhưng phải đỡ tốn sức khi đạp để có thể di chuyển được quãng đường dài hơn.
Tuy nhiên, các dòng xe đạp trợ lực điện trên thị trường hiện nay có giá khá cao, thậm chí cao hơn nhiều so với một chiếc xe máy phổ thông. Vì vậy, mục tiêu của nhóm là tạo ra một chiếc xe với giá thành tốt hơn nhưng vẫn đảm bảo được tính năng của một chiếc xe đạp trợ lực điện. Tính năng tự cân bằng không giúp cân bằng người lái khi ngồi trên xe mà được nhóm hướng tới để giúp xe có khả năng ra vào bãi xe thông minh, tránh né được các vật cản trên đường và hướng tới tương lai xe có thể di chuyển tới chỗ người lái chỉ qua một nút nhấn trên thiết bị di động thông minh. Hướng nghiên cứu của nhóm bước đầu đã có kết quả khá khả quan khi đã tạo ra được các phần cứng như cụm motor cân bằng, cụm servo lái, cụm trợ lực điện để gắn trên một mô hình xe đạp thật.
Nhóm cũng đã có thể điều khiển được các thiết bị trên xe một cách hợp lý theo đúng yêu cầu đã đặt ra. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều lỗi nhỏ và nhiều vấn đề cần cải thiện trong tương lai để hướng tới một sản phẩm thực tế và thực dụng, có thể gắn trên bất kỳ chiếc iv xe đạp nào và hoạt động một cách trơn tru nhất. Ngoài ra, mục tiêu còn là hạ giá thành của xe đạp trợ lực trên thị trường, nhắm hướng đến một thành phố với lối sống xanh, hiện đại và khỏe khoắn. v ABSTRACT PROJECT TITLE Research and Development of Intelligent Self-Balancing Electric Assist Bicycles Nowadays, as the demand for urbanization is increasing, major cities are always striving towards sustainable green development, and transportation also plays a significant role in promoting this green lifestyle.
Bicycles are a promising means of transport as they do not emit pollutants, are sustainable, easy to maintain and repair, and cycling helps us stay fit and healthy. However, bicycles have the drawback of being dependent on the rider's physical health. If one wants to travel a long distance, it requires a lot of stamina. For instance, in cities where the rent is too high, we may have to live in the suburbs, making the commute possibly very long, sometimes over 40 km.
In such cases, bicycles may not be a reasonable choice. There is a type of vehicle that emits more than bicycles but still at a moderate level and remains environmentally friendly, which is the electric scooter. It can help us travel long distances without exerting as much effort as when riding a bicycle. For these reasons, our team has researched and aims to create a product that combines the lightness and flexibility of a bicycle, but can help us travel farther with less fatigue.
We have actualized the idea of creating a bicycle with electric assist features and intelligent self- balancing. Electric-assist bicycles have been developing strongly in recent years, as people need a bicycle that can be used daily but requires less effort to pedal, allowing for longer distances. However, the current electric-assist bicycles on the market are quite expensive, even more so than many common motorbikes. Therefore, our goal is to create a bicycle with a better price while still ensuring the features of an electric-assist bicycle.
The self-balancing feature is not intended to balance the rider while sitting on the bike, but rather to enable the bike to smartly maneuver into and out of parking spaces, avoid obstacles on the road, and in the future, possibly move to the rider's location with just a push of a button on a smart mobile device. Our initial research has shown promising results as we have created hardware components such as the balancing motor assembly, steering servo assembly, and electric assist assembly to mount on a real bicycle model. We have also been able to control these devices reasonably according to our set requirements. However, there are still many minor errors and issues that need improvement in the future to achieve a practical and functional product that can be mounted on any bicycle and operate smoothly.
Additionally, we aim to reduce the cost vi of electric-assist bicycles in the market, targeting a city with a green, modern, and healthy lifestyle. vii TABLE OF CONTENTS CHAPTER 1. The urgency of the topic. Scientific and practical significance of the topic.
Research objectives of the topic. Scope of the project. Structure of the graduation thesis. Brushless DC motor.
Analysis and selection of transmission options. Pedal assist transmission system. Vehicle balancing system. Mounting bracket of the reaction wheel motor to the frame.
Rear brake assembly part. CONTROL SYSTEM DESIGN. Block diagram for the balancing system. Block diagram for the electric assist system.
Details of components in the system. Encoder LPD3806-600BM. NRF24L01-M wireless module. Load cell sensor.
SH1106 OLED LCD screen. Gear reduction motor MY1016 Z. Balancing system algorithm flowchart. Electric assist system algorithm flowchart.
SYSTEM RESULTS AND EVALUATION. Results after assembly. Control system evaluation experiments. PID controller evaluation.
Kalman filter evaluation. System balancing response evaluation. Feedback from force sensor module. Evaluation of electric assist system effectiveness.
CONCLUSION AND FUTURE DEVELOPMENT .