Thiết kế mô hình bãi đỗ xe thông minh ứng dụng xử lý ảnh

Do đó, yêu cầu thực tế cần có các nhà đậu xe hiện đại có hiệu suất sử dụng không gian tối đa, an toàn và mang lại lợi ích cho xã hội, đề tài: “ Thiết kế mô hình bãi đỗ xe thông minh ứng

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn: TS ĐẶNG PHƯỚC VINH

Sinh viên thực hiện: LÊ HỮU NAM THÀNH

Nội dung đã làm được bao gồm các vấn đề sau:

➢ Nhu cầu thực tế của đề tài

Đồ án tốt nghiệp là một trong những học phần bắt buộc của sinh viên ngành Cơ điện tử nói riêng cũng như sinh viên khối ngành kĩ thuật nói chung Để thiết kế thành công một

cơ cấu, một cụm chi tiết máy hay một máy hoàn chỉnh thì đòi hỏi sinh viên phải có hiểu biết và nắm chắc các kiến thức về lĩnh vực cơ khí cũng như điện tử Đây là điều kiện thuận lợi cho nhóm để được ứng dụng các kiến thức đã học vào thực tế

Tại các thành phố lớn như Hà Nội, Hồ Chí Minh, Đà Nẵng, việc đáp ứng yêu cầu về đất đai ngày càng không khả thi Do đó, yêu cầu thực tế cần có các nhà đậu xe hiện đại có hiệu suất sử dụng không gian tối đa, an toàn và mang lại lợi ích cho xã hội, đề tài: “ Thiết

kế mô hình bãi đỗ xe thông minh ứng dụng xử lý ảnh ” được chọn Dựa trên những phân tích tối ưu về đặc điểm kỹ thuật, công nghệ chế tạo, khả năng ứng dụng, mức độ khả thi

và xem xét đến kinh tế

➢ Phạm vi nghiên cứu của đề tài tốt nghiệp:

Trong đề tài này, nhóm thiết kế cơ cấu cho máy, tìm hiểu các phương pháp điều khiển

để đưa ra phương án tối ưu nhất, nghiên cứu tính thiết thực của sản phẩm và đưa ra giải pháp phù hợp, từ đó:

- Tính toán thiết kế các hệ truyền động chính

- Thiết kế và thi công mô hình

- Lập trình điều khiển kết nối với máy tính

➢ Nội dung đề tài đã thực hiện :

- Số trang thuyết minh: 46

- Số bản vẽ: 4A0

- Mô hình: 1 mô hình bãi đỗ xe thông minh ứng dụng xử lý ảnh

➢ Kết quả đã đạt được:

• Phần lý thuyết đã tìm hiểu:

- Tổng quan bãi đỗ xe ô tô tự động, tính thiết thực và cấp thiết của đề tài

- Các kiểu bãi đỗ xe ô tô tự động trên thế giới

- Giới thiệu một số bộ truyền, lựa chọn phương án thiết kế cơ cấu dẫn động cho

mô hình bãi đỗ xe ô tô tự động

- Tính toán lựa chọn các thành phần, bộ truyền sử dụng trong mô hình bãi đỗ

xe ô tô tự động

- Thiết kế các bộ phận gá đặt

- Giới thiệu thành phần và các module chức năng điều khiển động cơ

- Phần mềm Visual Studio với nền tảng Winform và ngôn ngữ lập trình C#

- Thuật toán xử lý ảnh kết hợp bảo mật bằng thẻ từ RFID và lưu trữ cơ sở dữ liệu

• Đã lựa chọn và thiết kế phần:

- Lựa chọn các cơ cấu chấp hành

- Thiết kế và chế tạo thành công mô hình bãi đỗ xe thông minh

1 Lê Hữu Nam Thành 101130216 13CDT2 CƠ ĐIỆN TỬ

2 Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện

a Phần chung:

1 Lê Hữu Nam Thành - Tìm hiểu một hệ thống bãi đỗ xe trên thế giới và

lựa chọn hệ thống phù hợp để thực hiện đề tài

2 Võ Quang

b Phần riêng

1 Lê Hữu Nam Thành - Tính toán sức bền cho các trục, lập trình chương

trình Visual, hoàn thành thuyết minh

2 Võ Quang - Xây dựng bản vẽ và chế tạo mô hình, lập trình

điều khiển các cơ cấu chấp hành

5 Các bản vẽ, đồ thị :

1 Lê Hữu Nam Thành - Bản vẽ lưu đồ thuật toán 1A0

2 Võ Quang

- Bản vẽ Tổng thể 1A0

- Bản vẽ Cụm chi tiết 1A0

- Bản vẽ sơ đồ mạch và sơ đồ khối chức năng 1A0

6 Họ và tên người hướng dẫn: TS Đặng Phước Vinh

7 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 01/02/2018

8 Ngày hoàn thành đồ án: 01/06/ 2018

Đà Nẵng, ngày tháng năm 2018

TS Đặng Phước Vinh

LỜI NÓI ĐẦU

Chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Cơ khí và bộ môn Cơ điện

tử trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng đã tận tụy dạy dỗ, truyền đạt cho chúng

em những kiến thức quý báu trong những năm học vừa qua để chúng em có kiến thức hoàn thành được đề tài này

Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Đặng Phước Vinh đã tận tình hướng dẫn, chỉ

bảo chúng em trong suốt thời gian nghiên cứu và thực hiện đề tài này

Xin chân thành cảm ơn các bạn trong tập thể lớp 13CDT đã tham gia đóng góp ý kiến trong suốt quá trình thực hiện để nhóm có thể hoàn thành tốt đề tài này

Mặc dù được sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy Đặng Phước Vinh, nhưng do công

nghệ còn hạn chế, kinh nghiệm thiết kế chưa trau dồi nhiều, tài liệu phục vụ cho công việc thiết kế còn quá ít nên cũng không tránh khỏi những bỡ ngỡ và sai sót Sau thời gian 3 tháng làm đề tài này bằng chính nổ lực của bản thân và được sự hướng dẫn của thầy Đặng Phước Vinh, các thầy cô giáo và sự giúp đỡ của các bạn sinh viên khác trong khoa chúng em đã hoàn thành xong đồ án này đúng thời gian quy định Một lần nữa cho phép chúng em gửi đến quý thầy cô cùng các bạn lòng biết ơn sâu nhất

Đà Nẵng, ngày tháng năm 2018 Nhóm sinh viên thực hiện

Lê Hữu Nam Thành Võ Quang

Nhóm sinh viên thực hiện

Lê Hữu Nam Thành Võ Quang

MỤC LỤC

Tóm tắt

Nhiệm vụ đồ án

Lời nói đầu và cảm ơn ……… i

Lời cam đoan liêm chính học thuật ……… ii

Mục lục ……… …iii

Danh sách các bảng biểu, hình vẽ và sơ đồ……… v

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG BÃI ĐỖ XE THÔNG MINH 2

1.1 Đặt vấn đề và tính cấp thiết của đề tài 2

1.2 Mục đích nghiên cứu 2

1.3 Ý tưởng thiết kế mô hình bãi đỗ xe ô tô thông mình ứng dụng xử lý ảnh 3

1.4 Các vấn đề cần giải quyết 6

1.5 Phương hướng giải quyết 6

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ PHẦN CƠ KHÍ 7

2.1 Chọn động cơ cho các cơ cấu dẫn động 7

2.1.1 Phân tích các loại động cơ 7

2.1.2 Lựa chọn động cơ 7

2.2 Tính thông số bộ truyền cho các cơ cấu dẫn hướng các trục 9

2.2.1 Cụm cơ cấu di chuyển ngang 9

2.2.2 Cụm cơ cấu đưa xe vào ra 14

2.2.3 Cơ cấu nâng hạ xe 19

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 24

3.1 Sơ đồ nguyên lý của mạch 24

3.2 Sơ đồ kết nối hệ thống 25

3.3 Các linh kiện điện tử 25

3.3.1 Arduino Nano 25

3.3.2 Module A4988 27

3.3.3 Module IC LM2596 dòng ra 3A 28

3.3.4 Động cơ bước 29

3.3.5 Thẻ từ RFID và module RC522 30

3.4 Mô hình thực tế 33

CHƯƠNG 4: XỬ LÝ ẢNH 34

4.1 Tổng quan về xử lý ảnh 34

4.1.1 Khái niệm xử lý ảnh 34

4.1.2 Quá trình xử lý ảnh 34

4.1.3 Phạm vi ứng dụng của xử lý ảnh 36

4.1.4 Một số khái niệm cơ bản trong xử lý ảnh 36

4.2 Xử lý ảnh trong đề tài 38

4.2.1 Phần mềm và ngôn ngữ lập trình 38

4.2.2 Quá trình xử lý ảnh trong đề tài 39

KẾT LUẬN ……… 43

TÀI LIỆU THAM KHẢO ……… …46 PHỤ LỤC

DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ

Bảng 3.1 : Chế độ hoạt động module A4988 28

………

Hình 1.1: Thực trạng thiếu bãi đỗ xe ô tô tại thành phố Đà Nẵng 3

Hình 1.2 :Bãi giữ xe ô tô dạng xoắn ốc tại Hong Kong 4

Hình 1.3: Hệ thống bãi giữ xe ô tô quay vòng tại Trung Quốc 4

Hình 1.4: Bãi giữ xe ô tô tự động dạng tòa nhà hình trụ tại Đức 5

Hình 1.5 : Giải pháp bãi giữ xe ô tô xếp chồng tại Hàn Quốc 5

Hình 2.1 : Thông số hình học động cơ bước 8

Hình 2.2 : Động cơ bước 8

Hình 2.3 : Bộ truyền xích 9

Hình 2.4 : Bộ truyền vít me đai ốc 10

Hình 2.5 : Bộ truyền đai răng 10

Hình 2.6 : Cấu tạo cơ cấu di chuyển ngang 11

Hình 2.7 : Dây đai và Pulley GT2 14

Hình 2.8 : Bộ truyền xích 15

Hình 2.9 : bộ truyền bánh răng thanh răng 15

Hình 2.10 : Bộ truyền đai răng 16

Hình 2.11 : Cấu tạo cơ cấu di chuyển ngang 17

Hình 2.12 : Bộ truyền xích 20

Hình 2.13 : Bộ truyền vít me đai ốc 20

Hình 2.14 : Cấu tạo cơ cấu nâng hạ 21

Hình 3.1 : Sơ đồ nguyên lý mạch 24

Hình 3.2 : Sơ đồ kết nối hệ thống 25

Hình 3.3 : Board mạch Arduino Nano 25

Hình 3.4 : Module điều khiển động cơ bước A4988 27

Hình 3.5 : Sơ đồ kết nối module A4988 28

Hình 3.6 : Động cơ bước 29

Hình 3.7 : Sơ đồ dây của hãng Oriental 30

Hình 3.8 : Nguyên lý hoạt động RFID 31

Hình 3.9 : Mô hình thực tế bãi đỗ xe thông minh ứng dụng xử lý ảnh 33

Hình 4.1: Quá trình xử lý ảnh 34

Hình 4.2 : Ảnh nhị phân 37

Hình 4.3 : Ảnh xám 37

Hình 4.4 : Giao diện phần mềm Visual studio 2013 39

Hình 4.5 : Quá trình xử lý ảnh 40

Hình 4.6 : Mạch điều khiển động cơ bước 43

Hình 4.7 : Giao diện của phần mềm 44

MỞ ĐẦU

Ngày nay các trung tâm thành phố lớn với sự phát triển mật độ về dân cư và xe cộ ngày càng đông đúc hơn Đặc biệt là sự gia tăng về số lượng xe ô tô phần nào cũng phản ánh sự phát triển của một quốc gia Song song với sự phát triển đó, người ta đặt vân đề xây dựng những bãi giữ xe để phục vụ cho người dân trong công việc cũng như việc đi lại của họ Vì thế ngày nay ở các nước tiên tiến trên thế giới như Nhật Bản, Hàn Quốc những thành phố chật hẹp, người ta xây dựng hệ thống bãi giữ xe ôtô tự động được trang bị thiết

bị nâng để di chuyển ôtô từ mặt đất lên điểm đỗ trên cao (hệ thống nổi hoặc di chuyển xe xuống điểm đỗ dưới lòng đất (hệ thống ngầm) Đây là những giải pháp giúp tăng hơn 100 lần số lượng xe trên một diện tích, cho phép giải quyết tình trạng thiếu mặt bằng xây dựng Trong khi đó ở thành phố Đà Nẵng có nhiều bãi đỗ xe nhưng chỉ đáp ứng 50% nhu cầu

Vì tính cấp thiết của vấn đề, chúng em, những sinh viên của ngành Cơ điện tử tại đại học Bách khoa Đà Nẵng nhờ sự hướng dẫn tận tình của thầy TS Đặng Phước Vinh đã vận dụng những kiến thức được học, tham khảo thêm nhiều nguồn tài liệu.Chúng em quyết định chọn đề tài “Thiết kế mô hình bãi đỗ xe thông minh ứng dụng xử lý ảnh”

Do đây là một đề tài mới, tư liệu tìm hiểu còn ít, kiến thức và kinh nghiêm thực hành của bản thân chưa đủ, nên đồ án này vẫn còn nhiều điểm chưa tối ưu, cần được khắc phục, nâng cấp Kính mong nhận được sự đóng góp, đánh giá của hội đồng bảo vệ để chúng em có thể hoàn thiện đề tài, chuẩn bị cho đồ án tốt nghiệp được thành công

Em xin chân thành cám ơn

1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG BÃI ĐỖ XE THÔNG MINH

1.1 Đặt vấn đề và tính cấp thiết của đề tài

Cùng với sự phát triển của một nền kinh tế năng động đòi hỏi một nền kỹ thuật công nghệ cũng phải phát triển, đáp ứng kịp thời và đầy đủ những nhu cầu cần thiết của sự phát triển đó Điều này được thể hiện qua thực trạng tình hình phương tiện giao thông ở

nước ta.Theo số liệu của hiệp hội sản xuất ô tô Việt Nam, trong tháng 3/2018, doanh số

bán hàng của toàn thị trường đạt 21.127 xe, tăng 70% so với tháng 2/20178 Bao gồm 12.858 xe du lịch; 6.949 xe thương mại và 1.320 xe chuyên dụng Doanh số xe du lịch tăng 48%; xe thương mại tăng 109% và xe chuyên dụng tăng 222% so với tháng trước Sản lượng của xe lắp ráp trong nước đạt 18.777 xe, tăng 76% so với tháng trước và số

lượng xe nhập khẩu nguyên chiếc là 2.350 xe, tăng 37% so với tháng trước Chứng tỏ

tình hình số lượng xe ô tô ở nước ta tăng khá nhanh Từ những số liệu trên đòi hỏi những yếu tố cơ sở hạ tầng phải đáp ứng cho sự tăng trưởng đó, đặc biệt là vấn đề về bãi đậu xe Một trong những phương pháp nhằm giải quyết những khó khăn đó, việc ứng dụng sự phát triển của khoa học kỹ thuật, công nghệ cao vào trong xây dựng cơ sở hạ tầng rất cần thiết Cụ thể hơn, cần xây dựng những bãi đậu xe mang tính hiện đại, tự động cao và tính

an toàn được đặt lên hàng đầu Đồng thời, những bãi đậu xe như vậy cần phải đáp ứng vừa mang tính kinh tế, vừa phù hợp với thực tiễn như tiết kiệm quỹ đất xây dựng, tính cảnh quan,…

Mặc dù trên thế giới, nhiều bãi đậu xe có kỹ thuật cao và hiện đại đã được đưa vào ứng dụng trong thực tế Tuy nhiên, với mong muốn đưa ý tưởng từ những kiến thức đã học vào trong thực tế giải quyết khó khăn này ở nước ta, chúng em thực hiện đề tài :

“ Thiết kế mô hình bãi đỗ xe thông minh ứng dụng xử lý ảnh ”

1.2 Mục đích nghiên cứu

Vận dụng kiến thức đã được học để nghiên cứu, thiết kế mô hình bãi đỗ xe ô tô tự động, từ đó phát triển , đưa vào ứng dụng thực tiễn Giúp cải thiện tình trạng thiếu bãi đậu xe tại các thành phố lớn trong nước Xây dựng nên những bãi đậu xe mang tính hiện đại, tự động hóa cao , an toàn tuyệt đối, tiết kiệm quỹ đất xây dựng cũng như nguồn vốn xây dựng, cải thiện cảnh quan

1.3 Ý tưởng thiết kế mô hình bãi đỗ xe ô tô thông mình ứng dụng xử lý ảnh

➢ Thực trạng trong nước

- Với thực trạng số lượng ô tô lưu thông tăng lên nhanh chóng, cơ sở hạ tầng tại các thành phố lớn chưa đáp ứng vấn đề đó, dẫn đến sự thiếu hụt chỗ đậu xe ô tô , đặc biệt là vào giờ cao điểm

- Tại thành phố Đà Nẵng có 17 bãi đỗ xe đã và đang đầu tư, không đáp ứng kịp đà tăng nhanh các phương tiện giao thông hiện nay

- Các tài xế ô tô khổ sở tìm bãi đậu xe, nhất là vào giờ cao điểm, dẫn đến tình trạng 1ô tô đỗ tràn xuống lòng đường

- Thành phố Đà Nẵng cũng như các thành phố lớn, đã ban hành quy định cấm đỗ xe

ô tô tại một số tuyến đường, đậu xe theo ngày chẵn lẽ, bước đầu đã đem lại hiệu quả, song vẫn chưa triệt để

Hình 1.1: Thực trạng thiếu bãi đỗ xe ô tô tại thành phố Đà Nẵng

➢ Các giải pháp bãi giữ xe ô tô tự động trên thế giới

Hình 1.2 :Bãi giữ xe ô tô dạng xoắn ốc tại Hong Kong

Hình 1.3: Hệ thống bãi giữ xe ô tô quay vòng tại Trung Quốc

Hình 1.4: Bãi giữ xe ô tô tự động dạng tòa nhà hình trụ tại Đức

Hình 1.5 : Giải pháp bãi giữ xe ô tô xếp chồng tại Hàn Quốc

Ta chọn phương án “ bãi giữ xe ô tô xếp chồng ” với :

➢ Ưu điểm : chiếm ít diện tích đất xây dựng, chi phí xây dựng và kỹ thuật công nghệ không đòi hỏi quá lớn Số lượng xe nhiều và tối ưu hóa số lượng chổ đễ

xe, không ô nhiễm khói bụi

➢ Nhược điểm : do chỉ có một cơ cấu đảm nhiệm lấy và cất xe nên không tối ưu

về thời gian

1.4 Các vấn đề cần giải quyết

- Điều khiển vị trí, tốc độ động cơ

- Thiết kế mô hình cơ khí tối ưu và phù hợp với thực tế

- Quản lý xe theo mã code RFID kết hợp nhận dạng biển số xe

- Xây dựng thuật toán hệ thống ổn định, an toàn và tiết kiệm năng lượng

- Tạo giao diện Windows form tối ưu dễ dàng giám sát, quản lý hệ thống

1.5 Phương hướng giải quyết

- Điều khiển xác định vị trí, điểm dừng chính xác bằng cách sử dụng động cơ bước điều khiển bằng Arduino

- Thiết kế mô hình cơ khí tối ưu và phù hợp với thực tế: Tiến hành tìm hiểu cách thiết

kế phần cơ khí của các bãi giữ xe ô tô xếp tầng trong và ngoài nước Sau đó, tự thiết kế lại phần cơ khí của mình cho tối ưu và có hiệu quả kinh tế

- Quản lý xe theo mã code RFID kết hợp nhận dạng biển số xe:

- Khi xe vào, nhân viên sẽ quét thẻ từ RFID rồi đưa thẻ cho khách, lúc đó camera chụp hình và nhận dạng biển số xe Như vậy xe sẽ được gán mã code cùng với biển số xe để sắp xếp một vị trí nhất định chứa xe trong bãi Mã code và biển số xe được lưu vào cơ

sở dữ liệu Access

- Khi khách muốn lấy xe ra thì chỉ cần đưa thẻ từ cho nhân viên để nhân viên quét thẻ,

mã code dùng để xác định vị trí ô cần lấy xe, camera chụp hình và nhận dạng biển số

xe Vị trí đó có xe với mã code cùng biển số xe so sánh với những mã code và biển số

xe đã được lưu trong cơ sở dữ liệu Access, kích hoạt chương trình lấy xe ra

2 CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ PHẦN CƠ KHÍ

2.1 Chọn động cơ cho các cơ cấu dẫn động

2.1.1 Phân tích các loại động cơ

Động cơ dẫn động cho các cơ cấu trong thực tế có rất nhiều loại khác nhau, với khả năng điều khiển chính xác ấn tượng, đồng thời kèm theo cả một bộ phận phản hồi và bù sai số

Để điều khiển khung nâng trong mô hình có thể chọn từ 2 loại động cơ:

- Động cơ bước: dễ dàng điều khiển chính xác, tốc độ tương đối thấp, phù hợp với yêu cầu điều khiển khung nâng của mô hình nhưng momen tương đối nhỏ

- Động cơ DC: có tốc độ cao, momen tương đối lớn, công suất có nhiều mức lựa chọn,

do đó cần bộ giảm tốc để giảm tốc độ và tăng momen phù hợp với yêu cầu của khung nâng trong mô hình

2.1.2 Lựa chọn động cơ

Các cơ cấu chuyển động trên mô hình bãi đỗ xe ô tô hầu như không chịu tải trọng ( chủ yếu là tải trọng do chính bản thân kết cấu máy gây ra ) nên yêu cầu động cơ công suất nhỏ Do vậy ở đây nhóm thống nhất phương án dùng động cơ bước để dẫn động các trục, vì loại động cơ này dễ điều khiển, phổ biến trên thị trường và có giá thành hợp lý Tuy nhiên do không kèm theo bộ phận phản hồi bù sai số nên trong một số trường hợp như quá tải, quá nhiệt, động cơ sẽ không giữ được độ chính xác yêu cầu, xảy ra tình trạng tụt bước hay mất bước Do vậy khi tính toán thiết kế, nhóm sẽ cố gắng giảm sự sai lệch không mong muốn này về mức tối thiểu

Trên thị trường hiện nay có bán rất nhiều loại động cơ bước của nhiều hãng khác nhau, kể

cả hàng cũ và hàng mới Tuy nhiên có một điểm chung ở động cơ bước là công suất không lớn, nếu có công suất lớn thì kích thước rất cồng kềnh và giá thành đắt Phổ biến trên thị trường hiện nay là động cơ bước có công suất khoảng 50W, do vậy nhóm đã chọn

3 động cơ loại này để dẫn 3 trục Ngoài ra thông số này còn có thể điều chỉnh khi lắp ráp ngoài thực tế

➢ Động cơ bước sử dụng trong mô hình với các thông số như sau:

- Góc bước: 1,8º/bước (200 bước/ chu kì)

- Điện áp cấp tối đa : 24V

Hình 2.1 : Thông số hình học động cơ bước

Động cơ bước NEMA 17 Stepper Motor là loại động cơ phổ biến nhất dùng để dựng các mô hình có kích thước trung bình Động cơ bước NEMA 17 được gọi là NEMA 17 bởi vì kích thước của chúng là 1,7×1,7 inch (42,3×42,3 mm) Bên cạnh động cơ bước NEMA 17 còn có các loại động cơ bước khác với kích thước khác nhau như :NEMA 11,NEMA 14, NEMA 23 và dĩ nhiên con số sau NEMA càng lớn thì kích thước động cơ càng lớn

Hình 2.2 : Động cơ bước

Động cơ bước thường được điều khiển bởi một thiết bị gọi là stepper motor driver Trường hợp động cơ bước NEMA 17 thì ở đây nhóm dùng A4988 stepper motor driver Cấu tạo của một động cơ bước (Stepper Motor) giống như là tổng hợp của hai động cơ: Động cơ một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ Động cơ bước không quay theo kiểu của động cơ mà chúng ta thấy thường ngày, chúng quay theo từng bước với tốc độ chính xác về góc quay rất cao ( nên chúng gọi là động cơ bước ) Chúng ta có thể hiểu động cơ bước là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc liên tục thành các chuyển động góc quay

2.2 Tính thông số bộ truyền cho các cơ cấu dẫn hướng các trục

2.2.1 Cụm cơ cấu di chuyển ngang

2.2.1.1 Lựa chọn phương án dẫn động

Đối với sự chuyển động của cơ cấu di chuyển ngang và đưa xe vào ra không yêu cầu khắc khe như cơ cấu nâng hạ theo trục Z Để truyền động giữa hai trục cách xa nhau, ta cân nhắc giữa các phương án sau

- Không đòi hỏi phải căng xích nên lực tác dụng lên trục và ổ nhỏ hơn

- Kích thước bộ truyền nhỏ hơn bộ truyền đai nếu có cùng công suất

• Nhược điểm :

- Bản lề xích bị mòn nên gây tải trọng động, ồn

- Có tỉ số truyền tức thời thay đổi, vận tốc tức thời của xích và bánh bị dẫn thay đổi

- Mau bị mài mòn trong môi trường có nhiều bụi hoặc bôi trơn không tốt

➢ Phương án thứ hai : bộ truyền vít me đai ốc

Hình 2.4 : Bộ truyền vít me đai ốc

• Ưu điểm

- Cấu tạo đơn giản, thắng lực lớn, thực hiện được dịch chuyển chậm

- Kích thước nhỏ, chịu được lực lớn

- Thực hiện được các dịch chuyển chính xác cao

• Nhược điểm

- Hiệu suất thấp do ma sát trên ren

- Nhanh chóng bị mài mòn

➢ Phương án thứ ba : bộ truyền đai răng

Hình 2.5 : Bộ truyền đai răng

Thanh dẫn có tác dụng dẫn hướng cho pallet đi theo đúng hướng đã đặt ra, vì 2 thanh chịu tác dụng lực ngang nhau và có tác dụng như nhau nên khi tính sức bền ta chỉ cần tính trên một thanh và suy thanh còn lại

Thanh dẫn chịu tác dụng của trọng lượng: động cơ, cơ cấu nâng hạ,cơ cấu đưa xe ra vào

Trọng lượng của toàn bộ hệ thống : P = 24 ( ) N

Chọn thanh dẫn là bằng vật liệu thép C45 có chiều dài là 680 (mm)

Áp dụng công thức (7-3) trang 117[3] để tính đường kính trục tại tiết diện nguy hiểm :

- Mtđ - Momen tương đương

- Mu, Mx - momen uốn xoắn và xoắn ở tiết diện tính toán ( N.mm )

50.3 = 40,6 (N/mm2)

Ta có ứng suất cho phép   2

50( N mm / )

 = =>      (Thỏa mãn điều kiện bền)

➢ Tính chọn bộ truyền đai răng

Xác định modun m theo công thức 4.58 trang 156[1] : 1

31

Để đảm bảo kích thước theo thiết kế ban đầu ta chọn a = 680 (mm)

Từ các tính toán trên, ta lựa chọn bộ truyền đai răng phù hợp

Loại dây đai được sử dụng trong bộ truyền là dây đai GT2 với bước răng là 2mm và bề rộng là 6mm

Hình 2.7 : Dây đai và Pulley GT2

Dùng pulley răng để truyền động với các thông số sau :

Số răng : 20 răng

Chiều dài đường răng : 6 mm

Số răng trên đai : 2 1 2 ( 2 1)2

d

Z Z p Z Z a

- Không đòi hỏi phải căng xích nên lực tác dụng lên trục và ổ nhỏ hơn

- Kích thước bộ truyền nhỏ hơn bộ truyền đai nếu có cùng công suất

• Nhược điểm :

- Bản lề xích bị mòn nên gây tải trọng động, ồn

- Có tỉ số truyền tức thời thay đổi, vận tốc tức thời của xích và bánh bị dẫn thay đổi

- Phải bôi trơn thường xuyên

- Mau bị mài mòn trong môi trường có nhiều bụi hoặc bôi trơn không tốt

➢ Phương án thứ hai : bộ truyền bánh răng thanh răng

Hình 2.9 : bộ truyền bánh răng thanh răng

• Ưu điểm :

- Kích thước khá nhỏ nhưng lại có khả năng vận tải lớn để đảm bảo sự hoạt động của toàn bộ hệ thống máy móc

- Không có hiện tượng trượt trơn nên tỷ suất truyền không đổi và cho hiệu suất cao

- Được chế tạo bởi kim loại nguyên chất nên bộ truyền có tuổi thọ rất cao

• Nhược điểm :

- Tuy nhiên một nhược điểm lớn của sản phẩm này là quy trình chế tạo khá phức tạp, đòi hỏi độ chính xác gần như tuyệt đối

- Khi vận hành với vận tốc lớn sẽ gây tiếng ồn khó chịu

➢ Phương án thứ ba : bộ truyền đai răng

Hình 2.10 : Bộ truyền đai răng

• Ưu điểm :

- Bộ truyền đai răng kết hợp những ưu điểm của dây đai dẹt và dây đai hình thang với

- sự không có độ trượt của dây xích

- Chạy êm, ít ồn, chịu sốc

Với yêu cầu đặt ra là đảm bảo tính linh hoạt, hoạt động êm ái, độ chính xác điều khiển cao, không cần chịu tải lớn và trên hết là giảm chi phí Phương án “ bộ truyền đai răng ” được chọn

Thanh dẫn chịu tác dụng của trọng lượng :pallet đưa xe ra vào, xe…

Trọng lượng của toàn bộ hệ thống : P = 10 ( ) N

Chọn thanh dẫn là bằng vật liệu thép C45 có chiều dài là 200 (mm)

Áp dụng công thức (7-3) trang 117[3] để tính đường kính trục tại tiết diện nguy hiểm :

- Mtđ - Momen tương đương (N.mm)

- Mu, Mx - momen uốn xoắn và xoắn ở tiết diện tính toán (N.mm)

- β = do

d ; do - đường kính trong của trục rỗng :

- [σ] - ứng suất cho phép (N/mm2 )

 = =>      (Thỏa mãn điều kiện bền)

➢ Tính chọn bộ truyền đai răng

Xác định modun m theo công thức 4.58 trang 156 tài liệu [1] :

d2 = m.Z2 = 0,8.20 = 16(mm) Khoảng cách trục nhỏ nhất là:

amin= 0,5.(d1+d2) + C với C=2.m

=> amin= 0,5.(20+20) +2.0,8 = 21,6(mm)

Để đảm bảo kích thước theo thiết kế ban đầu ta chọn a=200(mm)

Từ các tính toán trên, ta lựa chọn bộ truyền đai răng phù hợp

Loại dây đai được sử dụng trong bộ truyền là dây đai GT2 với bước răng là 2mm và bề rộng là 6mm

Dùng pulley răng để truyền động với các thông số sau :

Số răng :20 răng

Đường kính pulley 16,5 mm

Chiều dài đường răng : 6 mm

Số răng trên đai

2

1 2 ( 2 1) 2

d

Z Z p Z Z a

Hình 2.12 : Bộ truyền xích

• Ưu điểm :

- Không có hiện tượng trượt như bộ truyền đai, có thể làm việc khi có quá tải đột ngột, hiệu suất cao

- Không đòi hỏi phải căng xích nên lực tác dụng lên trục và ổ nhỏ hơn

- Kích thước bộ truyền nhỏ hơn bộ truyền đai nếu có cùng công suất

• Nhược điểm :

- Bản lề xích bị mòn nên gây tải trọng động, ồn

- Có tỉ số truyền tức thời thay đổi, vận tốc tức thời của xích và bánh bị dẫn thay đổi

- Phải bôi trơn thường xuyên

- Mau bị mài mòn trong môi trường có nhiều bụi hoặc bôi trơn không tốt

- Kích thước khá nhỏ nhưng lại có khả năng vận tải lớn để đảm bảo sự hoạt động của toàn bộ hệ thống máy móc

➢ Phương án thứ hai : bộ truyền vít me đai ốc

Hình 2.13 : Bộ truyền vít me đai ốc

• Ưu điểm :

- Cấu tạo đơn giản, thắng lực lớn, thực hiện được dịch chuyển chậm

- Kích thước nhỏ, chịu được lực lớn

- Thực hiện được các dịch chuyển chính xác cao

2.2.3.2 Cấu tạo

Hình 2.14 : Cấu tạo cơ cấu nâng hạ

2.2.3.3 Tính toán

➢ Tính toán sức bền trục dẫn hướng

Thanh dẫn có tác dụng dẫn hướng cho pallet đưa xe đi theo đúng hướng đã đặt ra Trong cơ cấu này, thanh dẫn không chịu tác dụng của momen xoắn, momen uốn không đáng kể, ta chọn thanh dẫn tương tự hai cơ cấu trên, vật liệu thép C45, d = 8 (mm) , chiều dài 550 (mm)

➢ Bộ phận truyền động vít me

• Tính toán bộ truyền vít me

Động cơ chuyển động để di chuyển đai ốc vít me di động lên xuống Lực dọc trục lớn nhất của vít me là trường hợp đi lên theo trục Z Lúc này lực dọc trục trên vít me được xác định: Fa = Pbộ truyền = 20 (N)

Áp dụng công thức (8.10) trang 308 (tài liệu [1]) tính đường kính vít me :

p

Trong đó :

- H hệ số chiều cao đai ốc

- h hệ số chiều cao ren

- [p] áp suất cho phép

Tra bảng trang 309[1] : H = 1, 5 , h=0,5

Tra bảng 8.2 trang 308[1] : [p] =12 (Mpa)

a

F d

• Kiểm nghiệm độ bền bộ truyền vít me

Ta kiểm nghiệm theo công thức (8.11) trang 309 [1] :

3 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

3.1 Sơ đồ nguyên lý của mạch

Hình 3.1 : Sơ đồ nguyên lý mạch

3.2 Sơ đồ kết nối hệ thống

Hình 3.2 : Sơ đồ kết nối hệ thống

3.3 Các linh kiện điện tử

3.3.1 Arduino Nano

➢ Tổng quan về Arduino Nano

Arduino Nano là 1 bo mạch thiết kế với bộ xử lý trung tâm là vi điều khiển

AVR Atmega328 Cấu tạo chính của Arduino Nano bao gồm các phần sau:

Hình 3.3 : Board mạch Arduino Nano

- Cổng USB: đây là cổng giao tiếp để upload code từ máy tính lên vi điều khiển, Đồng thời là cổng giao tiếp serial để truyền dữ liệu giữa vi điều khiển và máy tính

- Có 14 chân vào/ra số đánh thứ tự từ 0 đến 13, ngoài ra có chân nối đất GND

và chân điện áp tham chiếu AREF

- Vi điều khiển AVR: đây là bộ xử lý trung tâm của toàn bộ board mạch Arduino Nano thì sử dụng Atmega 328

➢ Cấu tạo, sơ đồ chân arduino Nano

- Chân RX0, TX0: dùng để giao tiếp UART, ngoài ra nó còn có thể sử dụng như chân vào/ra dạng số

- Chân Reset: dùng để reset vi điều khiển khi cần thiết, trạng thái bình

thường ở mức cao, khi chân RST ở mức thấp thì vi điều khiển được reset

- Chân GND: nối đất

- Chân D2-D13: là ngõ vào/ra dạng số, trong đó có 6 chân D3, D5, D6, D9, D10, D11 có thể xuất tín hiệu PWM ngõ ra

- Chân D2: INT0 ngắt ngoài 0

- Chân D2: INT1 ngắt ngoài 1

- Chân Vin: chân cấp nguồn cho arduino Nano, điện áp giới hạn đầu vào là 6-20V

- Chân +5V: dùng để lấy nguồn 5V từ arduino Nano hoặc cấp nguồn đúng 5V cho arduino nano hoạt động

- Chân A0-A7: chân ngõ vào dạng analog(tín hiệu tương tự)

- Chân AREF: chân điện áp tham chiếu

- Chân 3,3V: chân lấy nguồn 3,3V từ arduino Nano

- Ngoài ra các chân khác còn có chức năng như hỗ trợ giao tiếp I2C, SPI như hình

➢ Thông số kỹ thuật

- Vi xử lý: Atmega328

- Điện áp hoạt động: 5V

- Điện áp đầu vào kiến nghị: 7-12V

- Điện áp đầu vào giới hạn: 6-20V

- Chân vào /ra số: 14(6 chận có khả năng xuất PWM )

- Chân vào tương tự: 8 chân

- Dòng điện mỗi chân vào/ra: 40mA

- Điều khiển chiều quay của động cơ thông qua pin DIR

- Điều khiển bước của động cơ thông qua pin STEP, mỗi xung là tương ứng với 1 bước (hoặc vi bước)

- Chọn chế độ hoạt động bằng cách đặt mức logic cho các chân MS1, MS2, MS3

35V dòng lên tới 2A

- Có 5 chế độ: full bước, ½ bước, ¼ bước, 1/8 bước, 1/16 bước , điều chỉnh dòng ra bằng triết áp

➢ Sơ đồ kết nối:

Hình 3.5 : Sơ đồ kết nối module A4988

➢ Bảng chế độ hoạt động của module

Bảng 3.1 : Chế độ hoạt động module A4988

➢ Thông số cơ bản của IC LM 2596

IC LM 2596 có 5 chân

- Chân 1: Vin từ 4,5 – 40V

- Chân 2 : Vout

- Chân 3: GND

- Chân 4: Feedback( chân phản hồi điện áp)

- Chân 5: ON/OFF chân tắt bật mức logic

- Điện áp đầu vào: 4,5-40V DC ( Điện áp khuyến khích sử dụng < 30V)