BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG GVHD: ThS. VÕ LÂM CHƯƠNG SVTH: HOÀNG MINH NHẬT MSSV: 11146076 SVTH: TRẦN ĐỨC TẤN MSSV: 11146102 SKL 0 0 3 8 8 0 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7/2015 do an BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: “THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG” Giảng viên hướng dẫn: ThS.
VÕ LÂM CHƯƠNG Sinh viên thực hiện: HOÀNG MINH NHẬT MSSV: 11146076 TRẦN ĐỨC TẤN MSSV: 11146102 Lớp: 111461C Khoá: 2011 - 2015 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2015 do an ĐATN: Hoàng Minh Nhật & Trần Đức Tấn GVHD: Ths Võ Lâm Chƣơng TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY Độc lập - Tự do – Hạnh phúc Bộ môn Cơ Điện Tử NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Hoàng Minh Nhật MSSV: 11146076 Trần Đức Tấn 11146102 Lớp: 111461C Khoá: 2011 Ngành đào tạo: Kỹ thuật cơ điện tử Hệ: Chính quy 1. Các số liệu, tài liệu ban đầu: …………….
Nội dung chính của đồ án: ……………. Ngày nộp đồ án: TRƢỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên) Đƣợc phép bảo vệ ………………………………………… (GVHD ký, ghi rõ họ tên) i do an ĐATN: Hoàng Minh Nhật & Trần Đức Tấn GVHD: Ths Võ Lâm Chƣơng LỜI CAM KẾT - Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo xe hai bánh tự cân bằng - GVHD: Ths Võ Lâm Chƣơng - Hoàng Minh Nhật MSSV: 11146076 Trần Đức Tấn 11146102 - Lớp: 111461C - Địa chỉ sinh viên: - Số điện thoại liên lạc: - Email: - Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp (ĐATN): - Lời cam kết: “Tôi xin cam đoan khoá luận tốt nghiệp (ĐATN) này là công trình do chính 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, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm”.
Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 07 Năm 2015 Ký tên Hoàng Minh Nhật Trần Đức Tấn ii do an ĐATN: Hoàng Minh Nhật & Trần Đức Tấn GVHD: Ths Võ Lâm Chƣơng LỜI CẢM ƠN Bài luận văn tốt nghiệp đánh dấu sự trƣởng thành của sinh viên sau 4 năm trên giảng đƣờng đại học. Đem những kiến thức áp dụng vào đời sống xã hội để xây dựng và phát triển đất nƣớc. Để thực hiện bài luận văn này ngoài sự nỗ lực cố gắng của chúng em, đó còn là sự trợ giúp to lớn của Ban Giám Hiệu Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật, thầy cô Khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy, thầy cô Bộ môn Cơ Điện Tử. Chúng em muốn gửi lời cám ơn chân thành và sâu sắc nhất đến ngƣời thầy hƣớng dẫn thạc sỹ Võ Lâm Chƣơng.
Thầy đã tận tình giúp đỡ dạy bảo, tạo mọi điều kiện thuân lợi, cho những lời khuyên bổ ích và động viên chúng em trong suốt quá trình thực hiện đồ án. Qua đây, tôi xin cám ơn tập thể Kỹ thuật Cơ điện tử khóa 11, đã không ngừng chia sẻ về kiến thức cùng giúp nhau tiến bộ mà còn động viên giúp đỡ nhau những lúc vui buồn trong cuộc sống Cuối cùng, chúng con xin gửi lời tri ân đến mọi ngƣời trong gia đình đặc biệt là công ơn sinh thành dƣỡng dục của ba mẹ. Ba mẹ không chỉ tạo mọi điều kiện giúp chúng con học hành đến nơi đến chốn dù kinh tế gia đình còn nhiều khó khăn và còn là nguồn động viên to lớn giúp chúng con vƣợt qua khó khăn. Xin chân thành cám ơn Sinh viên thực hiện iii do an ĐATN: Hoàng Minh Nhật & Trần Đức Tấn GVHD: Ths Võ Lâm Chƣơng TÓM TẮT ĐỒ ÁN XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG Đề tài “xe hai bánh tự cân bằng” đƣợc thực hiện nhằm mục đích áp dụng những kiến thức đã học để tạo ra đƣợc một phƣơng tiện di chuyển có kích thƣớc nhỏ gọn, tiết kiệm năng lƣợng, điều khiển dễ dàng phù hợp với mọi lứa tuổi và thân thiện với môi trƣờng.
Đề tài đƣợc thực hiện từ việc thiết kế phần cơ khí dựa trên các định luật vật lý và sức bền vật liệu nhằm mục đích đáp ứng đƣợc các yêu cầu đặt ra nhƣ kích thƣớc nhỏ gọn, giảm đi lực ma sát và dễ điều khiển. Sau khi hoàn thành phần cơ khí thì sản phẩm đƣợc mô hình hóa và đƣợc mô phỏng trên simulink matlab để biết đƣợc các đặc tính và tìm phƣơng pháp điều khiển tốt nhất. Sau khi mô phỏng, nhóm đã quyết định sử dụng vi điều khiển DSPIC30F4011/4012 làm bộ xử lý trung tâm, sử dụng bộ lọc Kalman để lọc tín hiệu từ cảm biến đƣa về. Sau đó xuất tín hiệu điển khiển các bộ điều khiển động cơ để điều khiển vận tốc của các động cơ, từ đó giúp xe có thể cân bằng trên 2 bánh nằm ngang và chuyển động dựa trên độ nghiêng của thanh điều khiển.
Sinh viên thực hiện ABSTRACT TWO WHEELS SELF BALANCING SCOOTER The project “two wheels self balancing scooter” is done with aim to apply the knowledge learned to create a moving vehicle with small size, energy saving, easy control fit for all ages and friendly with environment The project is done from design of mechanical based on the laws of physics and strength of materials with aim to response the specific requirements as compact size reduced friction and easy to handle. After completing mechanical components, the product is modeled and simulated in SIMULINK MATLAB to know the features and find the best method of control. After the simulation, the team decided to use the microcontroller dsPIC30F4011 / 4012 as the central processor, using the Kalman filter to filter the signal from the sensor. Then output control signal to motor control module which control speed of motor, vehicles can banlance on two wheels and moves based on the tilt of the control bar.
iv do an ĐATN: Hoàng Minh Nhật & Trần Đức Tấn GVHD: Ths Võ Lâm Chƣơng MỤC LỤC Trang NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN. i LỜI CAM KẾT. x CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU .1 Tính cấp thiết của đề tài .2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài .3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu .1 Đối tƣợng nghiên cứu .2 Phạm vi nghiên cứu .4 Nhiệm vụ đề tài .5 Phƣơng pháp nghiên cứu .1 Cơ sở phƣơng pháp luận .2 Các phƣơng pháp nghiên cứu cụ thể. 3 2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc .1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới .2 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc.
4 CHƢƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .1 Thế nào là xe hai bánh tự cân bằng .1 Nguyên lý cân bằng .2 Nguyên lý di chuyển xe .3 Khả năng di chuyển của xe .2 Ƣu điểm và nhƣợc điểm của xe hai bánh tự cân bằng .2 Nhƣợc điểm .3 Những tiềm năng của xe hai bánh tự cân bằng .4 Mô hình toán hệ thống .5 Lý thuyết bộ điều khiển PID .6 Lý thuyết bộ lọc Kalman .1 Giới thiệu chung .2 Lý thuyết bộ lọc Kalman. 17 CHƢƠNG 4: PHƢƠNG HƢỚNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP.1 Yêu cầu đề tài .2 Phƣơng hƣớng và giải pháp thực hiện .1 Phƣơng án bộ truyền động của xe. 20 v do an ĐATN: Hoàng Minh Nhật & Trần Đức Tấn GVHD: Ths Võ Lâm Chƣơng 4.2 Phƣơng án sử dụng động cơ của xe .3 Phƣơng án sử dụng thiết bị điều khiển .3 Lựa chọn giải pháp. 23 CHƢƠNG 5: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ .1 Thiết kế phần cơ khí .1 Tính toán công suất động cơ .2 Thiết kế cơ khí .3 Phân tích ứng suất, kiểm tra độ bền xe .2 Thiết kế phần điện .1 Sơ đồ khối hệ thống .2 Thiết kế mạch xử lý trung tâm .1 Giới thiệu vi điều khiển DSPIC 30F4011 .2 Đặc điểm chung .3 Thiết kế driver điều khiển động cơ DC .1 Phần thiết kế .2 Các khối chính trong mạch .4 Cảm biến MPU6050 .2 Sơ đồ chân và nguyên lý mạch cảm biến MPU6050 .3 Cách thức đọc dữ liệu cảm biến MPU6050 .4 Xử lý dữ liệu đọc từ cảm biến MPU-6050 .5 Áp dụng bộ lọc Kalman cho cam biến MPU-6050.
49 CHƢƠNG 6: THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ .1 Mô phỏng bằng Matlab và kết quả .1 Mô phỏng bằng Matlab .2 Kết quả mô phỏng .2 Độ chính xác cảm biến .3 Mô hình cơ khí thực tế .4 Giải thuật điều khiển xe .5 Lƣu đồ chƣơng trình điều khiển vận tốc động cơ DC .6 Lƣu đồ chƣơng trình chính cân bằng xe. 61 vi do an ĐATN: Hoàng Minh Nhật & Trần Đức Tấn GVHD: Ths Võ Lâm Chƣơng DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang Báng 3.1: Phƣơng pháp Ziegler-Nichols .1: So sánh hai dòng vi điều khiển PIC 16F887 và DSPIC 30F4011 .1: Thông tin vật liệu part đỡ .2: Thông tin ngoại lực tác dụng .3: Kết quả phân tích part đỡ .4: Kết quả phân tích của xe. 34 vii do an ĐATN: Hoàng Minh Nhật & Trần Đức Tấn GVHD: Ths Võ Lâm Chƣơng DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ Trang Sơ đồ 5.1: Sơ đồ khối điện của xe .1: Lƣu đồ giải thuật điều khiển vận tốc động cơ DC .2: Lƣu đồ giải thuật mạch trung tâm .2: Trevor Blackwell và scooter .3: Mô hình xe hai bánh tự cân bằng tác giả Nguyễn Gia Minh Thảo .4: Xe hai bánh tự cân bằng của Mai Tuấn Đạt .1: Nguyên lý cân bằng xe.2: Nguyên lý di chuyển xe hai bánh .3: Khả năng di chuyển xe ba hay bốn bánh trên mặt phẳng nghiêng .4: Xe hai bánh khi xuống và lên dốc .5: Phân tích lực bánh xe phải .6: Phân tích lực khung xe.7: Bộ điều khiển PID .8: Nguyên lý bộ lọc Kalman .1: Bộ truyền xích .2: Bộ truyền đai .3: Bộ truyền bánh răng.1: Phân tích lực bánh xe .2: Hộp giảm tốc .4: Động cơ servo DC 200W .7: Hình 3D thiết kế xe .9: Chọn mặt tác dụng lực để phân tích. 31 viii do an ĐATN: Hoàng Minh Nhật & Trần Đức Tấn GVHD: Ths Võ Lâm Chƣơng Hình 5.10: Ứng suất khi tác dụng lực lên part đỡ .11: Độ dịch chuyển part đỡ .12: Hệ số an toàn .13: Hình ảnh tổng thể xe .14: Đặt lực tác dụng lên xe .15: Ứng suất khi tác dụng lực lên xe .16: Độ dịch chuyển của xe .17: Hệ số an toàn .18: Sơ đồ khối của xe.19: Mạch xử lý trung tâm.20: Mạch xử lý trung tâm thực tế .21: Mạch driver điều khiển động cơ DC .22: Khối nguồn driver .23: Khối điều khiển driver .24: Ngõ xuất ra PWM và CW vào cầu H .25: Ngõ nhận tín hiệu encoder .27: Khối nhận tín hiệu điều khiển .28: Khối hồi tiếp dòng .