Nghiên cứu và phát triển hệ thống điều khiển trên xe điện cá nhân

Nghiên cứu và phát triển hệ thống điều khiển trên xe điện cá nhân Nghiên cứu và phát triển hệ thống điều khiển trên xe điện cá nhân Nghiên cứu và phát triển hệ thống điều khiển trên xe điện cá nhân luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG

NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRÊN XE ĐIỆN CÁ NHÂN

Sinh viên thực hiện: NGUYỄN XUÂN ĐẠI

Đà Nẵng – Năm 2018

TÓM TẮT

Tên đề tài: Nghiên cứu và phát triển hệ thống điều khiển trên xe điện cá nhân

Nhóm sinh viên thực hiện

Cấu trúc đồ án tốt nghiệp gồm 4 chương sau:

Chương 1: TỔNG QUAN

Tổng quan về vấn đề năng lượng, xu hướng sử dụng nhiên liệu sạch cho phương tiện giao thông

Tổng quan về xe điện các nhân và nhu cầu sử dụng phương tiện giao thông các nhân

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Lý thuyết về điều khiển, giải thích về vùng không gian cá nhân Lý thuyết về việc tính toán khoảng cách bằng cảm biến siêu âm

Lý thuyết về lập trình Phần mềm sử dụng để lập trình

Lý thuyết về tính toán khung xe, tính toán độ ổn định của xe, tính toán bộ truyền động cho xe

Chương 3: THIẾT KẾ TÍNH TOÁN XE ĐIỆN CÁ NHÂN

Tính toán thiết kế khung vỏ, bộ truyền động trên xe

Thiết kế hệ thống điện điều khiển trên xe

Thiết kế phát triển hệ thống an toàn trên xe

Chương 4: LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CỦA

HỆ THỐNG ĐIỆN- ĐIỆN TỬ TRÊN XE

Viết các lưu đồ và giải thích lưu đồ

Lập trình cho hệ thống điều khiển, hệ thống an toàn trên xe với phần mềm lập trình Arduino IDE

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG

CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Nghiên cứu và phát triển hệ thống điều khiển trên xe điện cá nhân

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

3 Các số liệu và dữ liệu ban đầu:

Theo tài liệu từ nhà chế tạo động cơ điện, thiết bị điện tử

4 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

Chương 1: Tổng quan về đề tài

Chương 3: Thiết kế tính toán xe điện cá nhân

3.1 Thiết kế cơ khí cho xe điện cá nhân

6 Họ tên người hướng dẫn: TS Phạm Quốc Thái

7 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 29/01/2018

LỜI NÓI ĐẦU VÀ CẢM ƠN

Trong suốt khoảng thời gian làm đề tài tốt nghiệp, chúng em đã gặt hái được rất nhiều kiến thức chuyên ngành cũng như sự kết hợp làm việc nhóm

Lời đầu tiên chúng em xin cảm ơn đến Thầy TS Phạm Quốc Thái, thầy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án tốt nghiệp và xin gửi lời cảm ơn gửi đến các Thầy Cô trong Khoa Cơ khí Giao thông Cảm ơn sự động viên và giúp đỡ tận tình từ gia đình và bạn bè

Chúng em đã phấn đấu và nỗ lực hết mình để hoàn thành đồ án tốt nghiệp này, song thời gian và kiến thức còn hạn chế nên còn nhiều thiếu sót mong quý thầy cô và bạn đọc đóng góp để đồ án này được hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

ii

CAM ĐOAN

Chúng em xin cam đoan đây là đề tài riêng của nhóm, đề tài không trùng lặp với bất

kỳ đề tài đồ án tốt nghiệp nào trước đây Các thông tin, số liệu được sử dụng và tính toán đều từ các tài liệu có nguồn gốc rõ ràng, theo quy định

MỤC LỤC

TÓM TẮT i

LỜI NÓI ĐẦU VÀ CẢM ƠN i

CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iii

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT viii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 3

1.1 Mục đích ý nghĩa của đề tài 3

1.2 Sự phát triển của phương tiện giao thông sử dụng nhiên liệu sạch trên thế giới và Việt Nam 4

1.2.1 Hoàn thiện động cơ diesel 5

1.2.2 Ôtô chạy bằng các loại nhiên liệu lỏng thay thế 5

1.2.3 Ôtô chạy bằng khí thiên nhiên 6

1.2.4 Ôtô chạy bằng khí dầu mỏ hóa lỏng LPG 6

1.2.5 Ôtô chạy bằng điện 6

1.2.6 Ô tô chạy bằng pile nhiên liệu 7

1.2.7 Ôtô hybrid 8

1.3 Tổng quan về xe điện cá nhân 8

1.3.1 Giới thiệu chung 8

1.3.2 Cấu hình của một số loại xe điện cá nhân 9

1.3.2.1 Cấu hình của ô tô điện 9

1.3.2.2 Cấu hình một số xe điện cỡ nhỏ 10

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 13

2.1 Lý thuyết điều khiển 13

2.1.1 Arduino 13

2.1.2 Lịch sử phát triển 13

2.1.3 Phần cứng 14

iv

2.1.4 Phần mềm 15

2.2 Cơ sở điều khiển hệ thống an toàn 16

2.2.1 Khái niệm không gian cá nhân 16

2.2.2 Nguyên lí TOF và cơ sở của việc đo khoảng cách bằng cảm biến siêu âm

16

Chương 3: THIẾT KẾ TÍNH TOÁN XE ĐIỆN CÁ NHÂN 18

3.1 Thiết kế cơ khí cho xe điện cá nhân 18

3.1.1 Phân tích lựa chọn phương án thiết kế 18

3.1.2 Thiết kế tổng thể xe điện cá nhân ba bánh 21

3.1.2.1 Thiết kế chung 21

3.1.2.2 Phân bố tải trọng của xe điện 23

3.1.3 Tính chọn động cơ điện và ắc quy 28

3.1.3.1 Tính chọn động cơ điện 28

3.1.3.2 Tính chọn ắc quy 31

3.1.4 Tính toán các thông số động học của xe điện 32

3.1.4.1 Xác định tỷ số truyền của hệ thống truyền lực 32

3.1.4.2 Khả năng leo dốc ô tô và độ dốc cực đại 35

3.1.4.3 Đồ thị cân bằng lực kéo 35

3.1.5 Thiết kế chế tạo khung xe và tay cầm cho xe điện cá nhân 37

3.2 Thiết kế hệ thống điều khiển 40

3.2.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 40

3.2.2 Chiến thuật điều khiển 40

3.2.3 Thiết kế mạch điều khiển 41

3.2.3.1 Bộ điều khiển trung tâm 41

3.2.3.2 Mạch công suất 45

3.2.3.3 Cảm biến góc lái 49

3.2.3.4 Cảm biến tay ga 51

3.2.3.5 Cảm biến tốc độ (Encoder) 52

3.3 Thiết kế hệ thống an toàn 54

3.3.1 Sơ đồ khối hệ thống an toàn 54

3.3.2 Chiến thuật điều khiển hệ thống an toàn 54

3.3.3 Thiết kế mạch điều khiển hệ thống an toàn 56

3.3.3.1 Cảm biến siêu âm 57

3.3.3.2 Màn hình hiển thị LCD 59

Chương 4: LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN- ĐIỆN TỬ TRÊN XE 62

4.1 Tiếp nhận tín hiệu từ các cảm biến 62

4.1.1 Chương trình nhận tín hiệu từ cảm biến khoảng cách 62

4.1.2 Chương trình nhận tín hiệu từ cảm biến góc lái 64

4.1.3 Chương trình nhận tín hiệu từ tay ga 64

4.1.4 Chương trình nhận tín hiệu từ cảm biến tốc độ 65

4.2 Hệ thống điều khiển 67

4.2.1 Lưu đồ thuật toán 67

4.2.2 Chương trình điều khiển 68

4.3 Hệ thống an toàn 72

4.3.1 Lưu đồ thuật toán 72

4.3.2 Chương trình cảnh báo và hỗ trợ lái 73

KẾT LUẬN 84

TÀI LIỆU THAM KHẢO 85

vi

DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ

Bảng 3 1 Thông số kỹ thuật của xe điện thiết kế

Bảng 3 2 Phân bố trọng lượng xe điện khi không tải

Bảng 3 3 Phân bố trọng lượng xe điện khi đầy tải

Bảng 3 4 Các thông số của động cơ

Bảng 3 5 Kết quả tính toán lực kéo

Bảng 3 6 Thông số cơ bản của Arduino Mega2560

Bảng 3 7 Thông số kỹ thuật

Bảng 3 8 Thông số kĩ thuật của chiết áp

Bảng 3 9 Thông số kĩ thuật của cảm biến siêu âm HY-SRF05

Bảng 3 10 Thông số kỹ thuật của Module I2C

Bảng 3 11 Các chân của LCD

Hình 1 1 Ô tô chạy bằng nhiên liệu sinh học

Hình 1 2 Ô tô chạy bằng điện

Hình 1 3 Ô tô Hybrid

Hình 1 4 Ô tô điện cổ điển

Hình 1 5 Ô tô hiện đại

Hình 1 6 Phương án thiết kế xe điện cân bằng một bánh

Hình 1 7 Một số xe điện cá nhân hiện nay

Hình 2 1 Bo mạch Arduino

Hình 2 2 Môi trường lập trình Arduino(Arduino IDE)

Hình 2 3 Hình ảnh minh họa về không gian cá nhân

Hình 2 4 Sơ đồ tính khoảng cách tới vật cản

Hình 3 1 Phương án thiết kế xe tự cân bằng hai bánh

Hình 3 2 Phương án thiết kế xe điện cân bằng một bánh

Hình 3 3 Phương án thiết kế xe điện cá nhân

Hình 3 4 Các hình chiếu của xe điện cá nhân

Hình 3 5 Sơ đồ phân bố tải trọng khi xe điện không tải

Hình 3 6 Sơ đồ phân bố tải trọng khi xe điện đầy tải

Hình 3 7 Lực tác dụng lên xe điện khi chuyển động tăng tốc trên dốc Hình 3 8 Động cơ MY6812

Hình 3 9 Ắc quy GLOBE WP12-12

Hình 3 10 Đồ thị cân bằng lực kéo

Hình 3 11 Vị trí lắp đặt của các bộ phận lên xe cá nhân

Hình 3 12 Khung xe

Hình 3 13 Tay cầm cho xe điện cá nhân

Hình 3 14 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển

Hình 3 15 Sơ đồ mạch điều khiển

Hình 3 16 Linh kiện trên Arduino Mega 2560

Hình 3 17 Sơ đồ các chân ra của Arduino Mega 2560

Hình 3 18 Module MDL-BDC24

Hình 3 19 Kích thước Module MDL-BDC24

Hình 3 20 Các cổng kết nối của Module điều khiển

Hình 3.21 Cổng nhận tín hiệu PWM từ bộ điều khiển trung tâm

Hình 3.22 Mạch cầu H

Hình 3.23 Tín hiệu điều khiển PWM

Hình 3.24 Chiết áp

Hình 3.25 Sơ đồ cấu tạo chiết áp

Hình 3.26 Kí hiệu chiết áp trên sơ đồ nguyên lí

Hình 3.27 Tay ga sử dụng cảm biến Hall

Hình 3.28 Hall IC

Hình 3.29 Sơ đồ nguyên lí hoạt động của cảm biến tốc độ

Hình 3.30 Độ lệch xung của kênh A và B

Hình 3.31 Sơ đồ khối hệ thống an toàn

Hình 3.32 Đồ thị mối quan hệ giữa chu kì cảnh báo và phần trăm chiếm chỗ Hình 3 33 Hệ số K0 tại vị trí 30% tay ga

Hình 3 34 Sự thay đổi của Kps tại góc quay 30 độ

Hình 3.35 Sơ đồ mạch điều khiển hệ thống an toàn

Hình 3.36 Hệ thống điện lắp đặt trên xe

Hình 3.37 Cảm biến siêu âm HY-SRF05

Hình 3.38 Giản đồ thời gian

Hình 3.39 Hình dáng của LCD

Hình 3.40 LCD-I2C

Hình 4 1 Lưu đồ thuật toán hệ thống điều khiển

Hình 4 2 Lưu đồ thuật toán hệ thống an toàn

viii

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

KÝ HIỆU:

G [KG] Trọng lượng toàn bộ của xe

Fk [N] Lực kéo tiếp tuyến ở bánh xe chủ động

Gk [KG] Trọng lượng khung xương

Gct [KG] Trọng lượng trục trước và bánh xe

Gcs [KG] Trọng lượng bánh xe sau

Gm [KG] Trọng lượng động cơ

Gat [KG] Trọng lượng acquy trước

Gas [KG] Trọng lượng acquy sau;

Gl [KG] Trọng lượng tay lái

Ff1 [N] Lực cản lăn ở bánh xe chủ động

Ff2 [N] Lực cản lăn ở bánh xe bị động

Fw [N] Lực cản không khí

Fi [N] Lực cản lên dốc

Fj [N] Lực quán tính của ô tô khi chuyển động

Z1, Z2 [N] Phản lực tiếp tuyến của mặt đường tác dụng lên các

L [m] Chiều dài cơ sở

a, b [m] Khoảng cách từ tâm đến trục bánh xe trước và bánh xe sau

hg [m] Tọa độ trọng tâm của xe theo chiều cao

inner [v/ph] Tốc độ quay bánh xe phía trong

outter [v/ph] Tốc độ quay bánh xe phía ngoài

 [v/ph] Độ chênh lệch tốc độ quay vòng của hai bánh xe

0 [v/ph] Độ chênh lệch tốc độ quay vòng ban đầu của bánh xe

0 [v/ph] Tốc độ ban đầu của bánh xe

K0 [-] Hệ số góc quay ban đầu

Kps [-] Hệ só góc quay khi có hệ thống hỗ trợ lái

d [m] Quãng đường di chuyển của sóng âm

v [m/s] Vận tốc sóng âm trong không khí

t [s] Quãng thời gian truyền sóng

VH [V] Điện áp Hall

kH [m3/c] Hằng số Hall

B [Wb] Mật độ từ thông

Sinβ [-] Góc lệch giữa mật độ từ thông và bề mặt cảm biến

I [%] Phần trăm chiếm chỗ giữa xe điện và vùng không gian cá nhân

T [s] Chu kì cảnh báo

CHỮ VIẾT TẮT:

CW Clock Wise-Quay cùng chiều kim đồng hồ

CCW Counter Clock Wise- Quay ngược chiều kim đồng hồ

IC Intergated Circuit- Là vi mạch tích hợp nhiều linh kiện điện tử như tụ

điện, điện trở, transistor…với số lượng lớn, ghép lại với nhau theo một mạch đã thiết kế sẵn

PWM Pulse Width Modulation- Phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải

IDE Intergrated Development Environment- Môi trường lập trình cho

Arduino

TOF Time Of Flight- Nguyên lí đo khoảng cách bằng thời gian truyền sóng

DC Direct Current Motors- Động cơ điện một chiều

VCC Nguồn dương

GND Điểm nối đất chung

MỞ ĐẦU

I MỤC ĐÍCH LỰA CHỌN ĐỀ TÀI

Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của nghành công nghiệp ô tô đã mang lại nhiều thuận tiện trong đời sống, tuy nhiên số lượng ô tô ngày càng tăng kéo theo nhiều vấn

đề về môi trường, nhiên liệu ngày càng cạn kiệt

Đã có rất nhiều công trình nghiên cứu tìm nguồn năng lượng thay thế Nguồn năng lượng điện sử dụng trên phương tiện giao thông là một trong những giải pháp hiệu quả nhất Ở các thành phố lớn đã bắt đầu xu hướng sử dụng xe điện cá nhân Với những ưu điểm, thân thiện, nhỏ gọn thuận tiện, người lớn tuổi dể sử dụng

Vấn đề an toàn đã trở thành tiêu chí đánh giá hàng đầu khi sản xuất một phương tiện Hầu hết các hệ thống an toàn trên xe chỉ để bảo vệ người điều khiển phương tiện

đó, còn những người bên ngoài thì hầu như không được quan tâm đến Hệ thống an toàn mà nhóm phát triển, đảm bảo an toàn cho người điều khiển, không gây ra sự khó chịu cho người đi bộ phía trước, khi phương tiện tiến quá gần làm cho người đi phía trước cảm thấy mất an toàn Trước tiên hệ thống sẽ cảnh báo cho người điều khiển biết khoảng cách đến vật cản phía trước bằng màn hình, còi, và rung tay lái để người điều khiển chủ động giảm tốc độ Khi phương tiện đi vào trong vùng đã cảnh báo, hệ thống

hỗ trợ quay vòng xe sẽ giúp xe thoát nhanh hơn ra khỏi khu vực đó bằng cách tăng góc quay, nếu phương tiện tiến quá gần với vật cản phía trước thì xe sẽ tự động phanh lại đồng thời ngắt các tín hiệu truyền đến từ tay ga Những biện pháp này đều nhằm để ngăn chặn các nguy cơ va chạm ngay từ đầu Với những ưu điểm cũng như các yêu cầu về tính an toàn của xe điện các nhân nhóm nghiên cứu đã quyết định chọn đề tài

“Nghiên cứu và phát triển hệ thống điều khiển trên xe điện cá nhân”

II MỤC TIÊU ĐỀ TÀI

• Tính toán thiết kế tính ổn định trên xe điện

• Nghiên cứu thiết kế chế tạo kết cấu cơ khí trên xe điện

• Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển trên xe

• Nghiên cứu phát triển hệ thống an toàn trên xe

III PHẠM VI VÀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

• Tính toán lựa chọn động cơ điện, ắc quy, nguồn sạc cho xe điện

• Tính toán, thiết kế khung vỏ, bộ truyền động cho xe điện

• Thiết kế hệ thống điều khiển trên xe điện

• Thiết kế phát triển hệ thống an toàn trên xe điện

2 Đối tượng nghiên cứu

• Sử dụng excel để tính toán, xây dựng biểu đồ

• Sử dụng các phần phềm thiết kế Catia, CAD để thiết kế xe

2 Về thực nghiệm

• Sau khi chế tạo xong phần khung vỏ của xe điện thì tiến hành lắp đặt hệ thống

điện lên xe

• Sử dụng phần mềm lập trình để lập trình cho hệ thống điều khiển và hệ thống

an toàn

• Chạy thử nghiệm sau khi lắp đặt

• Kiểm tra độ ổn định của hệ thống cơ khí để tiến hành điều chỉnh cho hợp lí

• Đo đạc các thông số và tiến hành điều chỉnh chương trình để xe hoạt động ổn

định

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Mục đích ý nghĩa của đề tài

Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của nghành công nghiệp ô tô đã mang lại nhiều thuận tiện trong đời sống, tuy nhiên số lượng ô tô ngày càng tăng kéo theo nhiều vấn

đề môi trường, nhiên liệu ngày càng cạn kiệt

Ở các nước phát triển cuộc chạy đua tìm nguồn năng lượng sạch cho phương tiện giao thông đã bắt đầu từ rất lâu Theo xu thế chung, đứng đầu danh sách là ô tô chạy điện tiếp theo là ô tô lai, ô tô chạy bằng pin nhiên liệu là ứng viên thứ ba của cuộc chạy đua Về mặt nhiên liệu cho động cơ nhiệt, chất lượng của các loại nhiên liệu lỏng truyền thống sẽ được nâng cao, các loại nhiên liệu khí (LPG, khí thiên nhiên) sẽ được

áp dụng rộng rãi trên ô tô, các loại nhiên liệu sinh học (như ethanol, colza) có lợi thế

so sánh thấp về mặt môi trường và giá thành nhiên liệu này còn cao nên hạn chế về mặt sử dụng, các nhiên liệu tổng hợp từ khí thiên nhiên đang được nghiên cứu, nhiên liệu khí hydro cho ô tô chưa có triển vọng ứng dụng do công nghệ và giá thành

Sự phát triển của ô tô sử dụng điện và pin nhiên liệu phụ thuộc vào khả năng phát triển, hoàn thiện các loại động cơ truyền thống và sử dụng các nguồn nhiên liệu sạch thay thế các nguồn nhiên liệu lỏng hiện nay để làm giảm ô nhiễm môi trường Các yếu

tố cần quan tâm để xem xét gồm dự báo chất lượng của hệ thống vận chuyển khách công cộng và giá thành của pin nhiên liệu với các loại nhiên liệu thay thế khác để đạt cùng mức độ giảm NOx Kết quả nghiên cứu cho thấy trong vòng ít năm tới, kỹ thuật làm giảm NOx bằng cách cải thiện động cơ diesel, sử dụng LPG và khí thiên nhiên rẻ hơn là sử dụng pin nhiên liệu Trong tương lai dài hơn thì việc giảm NOx bằng cách sử dụng pin nhiên liệu trên xe buýt sẽ có giá thành tương đương với việc cải thiện động

cơ diesel để đạt cùng mức độ hiệu quả Để đạt được cùng tính năng kinh tế và mức độ phát ô nhiễm đối với động cơ sử dụng LPG thì trong thập niên 2010, giá nhiên liệu hydro phải giảm đi 50% và giá thành pin nhiên liệu phải giảm đi 30% so với giá cả hiện nay Vì vậy trong vòng 2 thập niên tới, ô tô chạy bằng pin nhiên liệu vẫn chưa có lợi thế cạnh tranh so với các loại nhiên liệu thay thế

Vì vậy trong điều kiện của nước ta từ nay đến 2020, ô tô lai chạy bằng điện kết hợp với việc nạp điện bổ sung bằng động cơ nhiệt là phù hợp nhất Năng lượng điện năng của chúng ta được sản xuất chủ yếu bằng thủy điện (năng lượng tái sinh) như nhà máy thuỷ điện Hoà Bình, nhà máy thuỷ điện Ialy, nhà máy thuỷ điện Sơn La và chủ động nguồn cung cấp khí dầu mỏ Hiện nay chúng ta có nhà máy sản xuất ga Dinh Cố và trong tương lai gần nhà máy lọc dầu đầu tiên của Việt Nam ở Dung Quốc đi vào hoạt

động, sản lượng khí đồng hành của nhà máy là nguồn cung cấp nhiên liệu LPG Nhu cầu sử dụng ô tô trong tương lai là xu thế tất yếu của xã hội phát triển Nước ta có thị trường nội địa lớn với hơn 90 triệu dân Cho tới nay, thị trường này hầu như vẫn còn nguyên vẹn Trong xu thế hòa nhập kinh tế khu vực (AFTA) và thế giới (WTO), thị trường nội địa của nước ta chắc chắn sẽ là mảnh đất màu mỡ đối với các nhà sản xuất

ô tô thế giới Mặt khác việc hoà nhập kinh tế với thế giới sẽ nảy sinh vấn đề về tiêu chuẩn chất thải của xe cho phù hợp với những quy định của thế giới Nếu chúng ta cứ nhập xe từ nước khác xẽ làm mất thị phần đối với một sản phẩm công nghiệp quan trọng của đất nước Vì vậy, việc nghiên cứu thiết kế tiến tới sản xuất một phương tiện giao thông phù hợp với điều kiện sử dụng trong nước có ý nghĩa rất thiết thực và cấp

bách đối với nước ta

Đề tài ‘‘Nghiên cứu và phát triển hệ thống điều khiển trên xe điện cá nhân’’ là

một đề tài nhằm mục đích khảo sát thiết kế một phương tiện giao thông chạy hoàn toàn bằng năng lượng điện, điều khiển bằng điện, tích hợp các hệ thống an toàn trên xe, đặt nền tảng cho việc thiết kế và sản xuất một xe điện mang thương hiệu Việt Nam phù hợp với điều kiện giao thông trong nước, giá thành vừa phải, có hiệu suất sử dụng năng lượng cao và mức độ phát ô nhiễm thấp, gần như bằng không, góp phần thực hiện nhiệm vụ cấp bách nói trên nhằm đẩy nhanh tiến trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước và tạo ra một nét mới để khẳng định nguồn nhân lực của con người Việt Nam

1.2 Sự phát triển của phương tiện giao thông sử dụng nhiên liệu sạch trên thế giới và Việt Nam

Sự phát triển các phương tiện giao thông ở các khu vực trên thế giới nói chung không giống nhau, mỗi nước có một quy định riêng về khí thải của xe, nhưng đều có

xu hướng là từng bước cải tiến cũng như chế tạo ra loại ôtô mà mức ô nhiễm là thấp nhất và giảm tối thiểu sự tiêu hao nhiên liệu Mặt khác không những trong tương lai

mà hiện nay nguồn tài nguyên dầu mỏ ngày càng cạn kiệt dẫn đến giá dầu tăng cao mà nguồn thu nhập của người dân lại tăng không đáng kể Ngày nay xe chạy bằng dầu diezel, xăng hoặc các nhiên liệu khác đều đang tràn ngập trên thị trường dẫn đến tình trạng ùn tắc giao thông, cũng như gây ô nhiễm môi trường, hệ sinh thái thay đổi dẫn đến hiệu ứng nhà kính nên nhiệt độ ngày một tăng làm những tảng băng ở Bắc cực, Nam cực cùng những nơi khác tan ra gây ra lũ lụt, sóng thần Vì thế, ôtô sạch không gây ô nhiễm (zero emission) là mục tiêu hướng tới của các nhà nghiên cứu và chế tạo ôtô ngày nay Có nhiều giải pháp đã được công bố trong những năm gần đây, tập trung

là hoàn thiện quá trình cháy động cơ Diesel, sử dụng các loại nhiên liệu không truyền

năng lượng mặt trời, ôtô lai (hybrid) Xu hướng phát triển ôtô sạch có thể tổng hợp

như sau:

1.2.1 Hoàn thiện động cơ diesel

Các kỹ thuật mới để hoàn thiện động cơ diesel đã cho phép nâng cao rõ rệt tính năng của nó bao gồm áp dụng hệ thống phun ray chung (common rail) điều khiển điện

tử, lọc bồ hóng và xử lý khí trên đường xả bằng bộ xúc tác ba chức năng, hoặc nâng cao chất lượng nhiên liệu, sử dụng nhiên liệu diesel có hàm lượng lưu huỳnh cực thấp Việc dùng động cơ diesel sử dụng đồng thời nhiên liệu khí và nhiên liệu lỏng (dual fuel) cũng là một giải pháp nâng cao tính năng của động cơ diesel

1.2.2 Ôtô chạy bằng các loại nhiên liệu lỏng thay thế

Các loại nhiên liệu lỏng thay thế quan tâm hiện nay là cồn, colza … có nguồn gốc

từ thực vật Do thành phần C trong nhiên liệu thấp nên quá trình cháy sinh ra ít chất ô nhiễm có gốc carbon, đặc biệt là giảm CO2, chất khí gây hiệu ứng nhà kính Tuy nhiên giải pháp này có lợi ở những nơi mà nguồn nhiên liệu này dồi dào hoặc các loại nhiên liệu trên được chiết xuất từ các chất thải của quá trình sản xuất công nghiệp

Một loại nhiên liệu lỏng thay thế khác mới đây được công bố là Dimethyl ether (DME) được chế tạo từ khí thiên nhiên Đây là loại nhiên liệu thay thế cực sạch có thể dùng cho động cơ diesel giống như LPG Thử nghiệm trên ôtô cho thấy, ôtô dùng DME có mức độ phát ô nhiễm thấp hơn nhiều so với tiêu chuẩn ôtô phát ô nhiễm cực thấp California ULEV Nếu việc sản xuất DME trên quy mô công nghiệp thành hiện thực thì trong tương lai nó sẽ là nhiên liệu lỏng lý tưởng nhất vì khí thiên nhiên phân

bố đều khắp trên trái đất và có trữ lượng tương đương dầu mỏ

Hình 1 1 Ô tô chạy bằng nhiên liệu sinh học

1.2.3 Ôtô chạy bằng khí thiên nhiên

Sử dụng ôtô chạy bằng khí thiên nhiên là một chính sách rất hữu ích về năng lượng thay thế trong tương lai, đặc biệt về phương diện giảm ô nhiễm môi trường trong thành phố Một trong những khó khăn khiến cho nguồn năng lượng này chưa được áp dụng rộng rãi trên phương tiện vận tải là vấn đề lưu trữ khí thiên nhiên (dạng khí hay dạng lỏng) trên ôtô Ngày nay việc chế tạo bình chứa khí thiên nhiên đã được cải thiện nhiều

cả về công nghệ lẫn vật liệu, chẳng hạn sử dụng bình chứa composite gia cố bằng sợi carbon

1.2.4 Ôtô chạy bằng khí dầu mỏ hóa lỏng LPG

Hiện nay nhiều nước, nhiều khu vực trên thế giới xem việc sử dụng LPG trên ôtô chạy trong thành phố là giải pháp bảo vệ môi trường không khí hữu hiệu Người ta dự báo lượng LPG tiêu thụ cho giao thông vận tải sẽ gia tăng trong những năm tới do số lượng ôtô sử dụng nguồn năng lượng này gia tăng

Khí dầu mỏ hóa lỏng LPG ngày càng trở nên là loại nhiên liệu ưa chuộng để chạy ôtô Ngoài những đặc điểm nổi bật về giảm ô nhiễm môi trường nó còn có lợi thế về

sự thuận tiện trong chuyển đổi hệ thống nhiên liệu Việc chuyển đổi ôtô chạy bằng nhiên liệu lỏng sang dùng LPG có thể được thực hiện theo ba hướng: Sử dụng duy nhất nhiên liệu LPG, sử dụng hoặc xăng hoặc LPG, sử dụng đồng thời diesel và LPG (dual fuel) Việc tạo hỗn hợp LPG không khí có thể thực hiện bằng bộ chế hòa khí kiểu Venturie thông thường hay phun LPG trên đường nạp Những hệ thống phun mới đang được nghiên cứu phát triển là phun LPG dạng lỏng trong buồng cháy để tăng tính năng công tác của loại động cơ này Cũng như các loại nhiên liệu khí khác, việc lưu trữ LPG trên ôtô là vấn đề gây nhiều khó khăn nhất mặc dù áp suất hóa lỏng của LPG thấp hơn rất nhiều so với khí thiên nhiên hay các loại khí khác Các loại bình chứa nhiên liệu LPG cũng được cải tiến nhiều nhờ vật liệu và công nghệ mới

1.2.5 Ôtô chạy bằng điện

Nếu như sự thâm nhập những ôtô chạy bằng điện vào cuộc sống của nhân loại thay các loại ôtô chạy bằng động cơ nhiệt thì các loại động cơ nhiệt được xử lý ô nhiễm triệt để với những thành tựu công nghệ hiện đại, dĩ nhiên bị biến mất vì thế mức độ có lợi về mặt ô nhiễm khi dùng động cơ điện sẽ không đáng kể, chắc chắn ít có lợi hơn

khi thay ô tô cũ bằng ô tô mới dùng động cơ nhiệt hoàn thiện triệt để về mặt ô nhiễm

Về mặt xã hội ô tô chạy điện trong giai đoạn đầu sẽ có ảnh hưởng quan trọng đến vấn đề tâm lý xã hội Sự hạn chế tính năng kỹ thuật cũng như bán kính hoạt động của ôtô, trở ngại trong vấn đề nạp điện, khả năng sử dụng các dịch vụ tự phục vụ sẽ góp phần làm thay đổi thói quen của người dùng và dần dần làm thay đổi cách sống Mặt

khác khi chuyển ôtô chạy bằng nhiên liệu truyền thống sang ôtô chạy bằng điện hoàn toàn sẽ gây ra trở ngại về mặt bố trí các trạm nạp điện cho ăcquy

Tuy nhiên những lợi ích mà xe chạy bằng điện mang lại cho xã hội là không nhỏ Vì vậy ô tô chạy bằng điện chắc chắn vẫn là sự lựa chọn số một của nhân loại vào những năm tới của thế kỷ 21 mà sự phát triển của nó đi theo những sự cải tiến, hoàn thiện hay phát minh quan trọng về công nghệ nhưng hiện tại sự phát triển của ô tô này cũng không cho phép giải quyết một cách nhanh chóng vấn đề ô nhiễm môi trường đô thị vì không thể xây dựng toàn bộ cơ cấu hạ tầng cơ sở phục vụ trong một thời gian ngắn

1.2.6 Ô tô chạy bằng pile nhiên liệu

Một trong những giải pháp của nguồn năng lượng sạch cung cấp cho ôtô trong tương lai là pile nhiên liệu Pile nhiên liệu là hệ thống điện hóa biến đổi trực tiếp hóa năng trong nhiên liệu thành điện năng Pile nhiên liệu trước đây chỉ được nghiên cứu

để cung cấp điện cho các con tàu không gian nhưng ngày nay pile nhiên liệu đã bước vào giai đoạn thương mại hóa để cung cấp năng lượng cho ôtô Do không có quá trình cháy xảy ra nên sản phẩm hoạt động của pile nhiên liệu là điện, nhiệt và hơi nước Vì vậy, có thể nói ôtô hoạt động bằng pile nhiên liệu là ôtô sạch tuyệt đối theo nghĩa phát thải chất ô nhiễm trong khí xả Ôtô chạy bằng pile nhiên liệu không nạp điện mà chỉ nạp nhiên liệu hydrogen Khó khăn vì vậy liên quan đến lưu trữ hydro dưới áp suất cao Nhiều nghiên cứu đề nghị điều chế hydro ngay trên xe để sử dụng cho pile nhiên liệu nhưng hệ thống như vậy rất cồng kềnh và phức tạp Tuy nhiên ngày nay người ta đã thành công trong chế tạo các loại pile nhiên liệu có hiệu suất cao và giá thành phù hợp

Hình 1 2 Ô tô chạy bằng điện

nhưng việc áp dụng phương án này trên xe vẫn còn xa so với hiện thực vì so với các phương án làm giảm ô nhiễm khác, pile nhiên liệu chạy ôtô vẫn còn là loại nhiên liệu

tô, đó là ô tô không gây ô nhiễm môi trường hay còn gọi là ô tô sinh thái (the ultimate eco-car)

1.3 Tổng quan về xe điện cá nhân

1.3.1 Giới thiệu chung

Xe điện sử dụng một động cơ điện cho lực kéo: acquy, pin nhiên liệu cung cấp nguồn năng lượng tương ứng cho động cơ điện Xe điện có nhiều ưu điểm hơn các loại phương tiện sử dụng động cơ đốt trong, chẳng hạn như không phát thải khí ô nhiễm, hiệu suất cao, độc lập với nguồn năng lượng từ dầu mỏ, yên tĩnh, không gây ồn Các nguyên tắt hoạt động cơ bản giữa xe điện và phương tiện sử dụng động cơ đốt trong

Hình 1 3 ô tô Hybrid

trong và xe điện, chẳng hạn như sử dụng một bồn chứa xăng so với nguồn pin, động

cơ đốt trong so với động cơ điện, và khác nhau về yêu cầu truyền dẫn, các hệ thống trên xe như hệ thống lái, hệ thống dẫn động, hệ thống treo

1.3.2 Cấu hình của một số loại xe điện cá nhân

1.3.2.1 Cấu hình của ô tô điện

Trước đây, các xe điện chủ yếu được chuyển đổi từ các ô tô thông thường bằng cách thay thế động cơ đốt trong và thùng nhiên liệu với một động cơ điện và pin trong khi giữ lại tất cả các thành phần khác Nhược điểm như: khối lượng lớn, tính linh hoạt và hiệu suất thất là những nguyên nhân làm cho xe điện khó áp dụng rộng rãi

Hiện nay, ô tô hiện đại được tạo ra có chủ ý dựa vào nguyên bản của thân và khung sườn được thiết kế riêng Điều này đáp ứng các yêu cầu về cấu trúc duy nhất cho ô tô

và làm cho các nguồn động lực đẩy bằng điện được sử dụng linh hoạt hơn Một ô tô điện cơ bản bao gồm ba hệ thống chủ yếu: Hệ động lực điện, hệ thống năng lượng, và

hệ thống phụ trợ

Hệ động lực điện bao gồm: Hệ thống điều khiển xe, bộ chuyển đổi điện, các động

cơ điện, truyền động cơ khí, và bánh chủ động

Hệ thống năng lượng bao gồm nguồn năng lượng bộ phận quản lý năng lượng, và

bộ phận tiếp năng lượng điện Hệ thống phụ trợ bao gồm trợ lực lái, điều hòa, nguồn cung cấp năng lượng phụ trợ

Hình 1 5 Ô tô hiện đại Dựa trên các yếu tố đầu vào điều khiển từ chân ga và bàn đạp phanh, hệ thống điều khiển xe cung cấp tín hiệu điện thích hợp cho bộ chuyển đổi năng lượng điện có chức năng điều chỉnh dòng điện giữa điện động cơ và nguồn năng lượng Những nguồn năng lượng được tái sinh trong quá trình phanh có thể được nạp vào nguồn năng lượng chính Hầu hết pin EV dễ dàng có khả năng tiếp nhận nguồn năng lượng tái sinh này

1.3.2.2 Cấu hình một số xe điện cỡ nhỏ

Xe đạp điện, xe máy điện: Xe đạp điện được thiết kế dựa trên cấu tạo của một chiếc

xe đạp thông thường, có gắng thêm hệ thống điện, Acquy và bộ điều khiển Một xe đạp điện

hiện hành cấu tạp từ 4 bộ phận chính sau :

Bộ chuyển đổi điện

Tín hiệu

điện

Truyền động

cơ khí

Quản lý năng lượng

Nguồn năng lượng

Sạc ăcquy

Nguồn năng lượng phụ

Điều hòa không khí

Trợ lực lái

Phanh

Chân ga

Bộ chuyển

đổi điện

Động cơ xe đạp điện : Động cơ xe đạp điện gồm có 2 loại, đó là động cơ có chổi

than (DC) và động cơ không có chổi than (BLDC)

Hệ thống điều khiển : Tay ga điều khiển được thiết kế giống như tay cầm như các

dòng xe gắn máy thông thường Và hệ thống các bo mạch điều khiển giúp chuyển đổi

từ điều khiển của người lái thành các tín hiểu điện và tạo dòng điện phù hợp đưa tới

động cơ, nhờ đó ta có thể tùy chỉnh tốc độ nhanh chậm cho xe, điều khiển phanh và

bật tắt các tín hiệu đèn báo trên xe

Acquy hoặc pin : Pin hoăc Acquy là nguồn cung cấp điện cho xe hoạt động Pin

lithium – ion là loại phổ biến nhất và được sử dụng rộng rãi vì tính năng ưu việt, loại

pin này thiết kế theo công nghệ Nhật Bản có thể đi được quảng đường dài ừ 70 km đến

100 km Đối với xe sử dụng acquy, thì mỗi dòng xe có thiết kế số lượng acquy khác

nhau tùy thuộc vào điện áp của động cơ mà xe sử dụng Quãng đường đi được có thể

đạt tới 80 km đến 100 km cho một lần sạc

Xe điện cá nhân tự cân bằng 1 bánh hoặc 2 bánh: Đây là loại xe mang tính cách

mạng trong giao thông mang lại thuận tiện nhất định cho con người khi di chuyển

thường xuyên ở quảng đường ngắn, bằng phẳng như sân bay, nhà xưởng, khu sinh

thái… nhưng hệ thống điều khiển của nó vẫn chưa ổn định, khó điều khiển

Hình 1 6 Phương án thiết kế xe điện cân bằng một bánh

1 – Cần từa điều khiểu ; 2 – Thân + bộ điều khiển & Acquy ;

3 – Động cơ điện BLDC liền bánh xe ; 4 – Tựa để chân Cấu tạo chung của loại xe này gồm các bộ phận chính sau:

4

3

2

1 2

1

3

Bộ cảm biến trên bánh xe (đông cơ điện BLDC đặt bên trong bánh xe): Bên trong bánh xe của xe điện là nơi đặt động cơ điện, ở đây cũng được tích hợp một số cảm biến độ nghiêng và tốc độ Điều này giúp người sử dụng luôn điều khiển được tốc độ của xe

Con quay hồi chuyển và bo mạch kiểm soát: Con quay hồi chuyển và bo mạch kiểm soát của xe chịu trách nhiệm kiểm soát và nhận và xử lý các thông số về tốc độ và độ nghiêng từ các cảm biển trong bánh xe rồi sau đó chuyển về bo mạch chính Bo mạch chính xử lý số liệu gửi về từ đó duy truy được trạng thái cân bằng của xe

Pin: Pin là bộ phận cung cấp điện cho xe, giúp cho xe có thể vận hành

Hiện nay loại xe điện cá nhân đang được nghiên cứu phát triển mạnh mẽ với những cải tiến mới với nhưng tính năng ưu việt hơn như thân thiện với môi trường, nhỏ gọn thuận tiện, ổn định an toàn, phù hợp với mọi lứa tuổi, xe điện cho người tàn tật Đã có rất loại xe với mẫu mã đẹp, xe vận hành ổn định và an toàn như Honda U3-X, Segway (USA), Toyota Winglet, Toyota i – ROAD, …

Toyota Winglet

SE Hình 1 7 Một số xe điện cá nhân hiện nay

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Lý thuyết điều khiển

Để điều khiển hệ thống điện tử trên xe nhóm nghiên cứu đã sử dụng Arduino làm

bộ điều khiển trung tâm Tất cả hoạt động của xe sẽ được bộ xử lí trung tâm điều khiển,

bộ xử lí sẽ tính toán và đưa các tín hiệu điều khiển đến các bộ phận chấp hành

2.1.1 Arduino

Là bo mạch vi xử lí nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi theo cách tiếp cận dễ dàng đối với người sử dụng Phần cứng bao gồm một bảng mạch điện tử phần cứng dạng nguồn mở được thiết từ bộ vi xử lý 8-bit Atmel AVR , hoặc 32-bit Atmel ARM Phần mềm cho phần cứng này bao gồm một trình biên dịch ngôn ngữ lập trình chuẩn và một bộ nạp khởi động, để có thể thực hiện các lệnh trên bộ vi điều khiển

2.1.2 Lịch sử phát triển

Arduino được khởi đầu vào năm 2005 từ một dự án cho sinh viên tại Viện Thiết kế Tương tác Ivrea tại Ivrea, Italia Tại thời điểm của chương trình đó sinh viên thường sử dụng bo mạch "BASIC Stamp" có chi phí tới 100$, xem ra là đắt đối với sinh viên Một trong những người sáng lập, Massimo Banzi, hiện đang là giảng viên tại Ivrea Một đồ án về phần cứng đã đóng góp vào một thiết kế hệ thống kết nối điện dẫn của sinh viên người Colombia tên là Hernando Barragan Sau khi các nền tảng hệ thống điện dẫn đã được hoàn tất, các nhà nghiên cứu làm việc để làm cho hệ thống đó gọn nhẹ hơn, rẻ hơn, và có sẵn cho cộng đồng nguồn mở Trường này cuối cùng đã đóng

Hình 2 1 Bo mạch Arduino

cửa, do đó, các nhà nghiên cứu, trong số họ là David Cuartielles, đã thúc đẩy ý tưởng phát triển về Arduino

2.1.3 Phần cứng

Một bảng mạch Arduino bao gồm một bộ vi điều khiển Atmel AVR 8-bit và các thành phần bổ sung để tạo điều kiện lập trình và tích hợp cách mạch điện khác với bảng mạch Arduino Một khía cạnh quan trọng của Arduino dựa trên tiêu chuẩn kết nối thống nhất, cho bo mạch CPU được kết nối với một loạt Module chuyển đổi tiện ích bổ sung được gọi là shield (bộ chắn)

Một số shield giao tiếp bo mạch Arduino trực tiếp từ các chân nối khác nhau, nhưng shield được định địa chỉ riêng biệt thông qua bus kết nối nối tiếp I² C, cho phép shield được xếp chồng lên nhau và được sử dụng song song nhau Arduino chuẩn sử dụng megaAVR là tổ hợp chip, đặc biệt là ATmega8, Atmega168, ATmega328, ATmega1280, và ATmega2560

Một số ít các bộ vi xử lý khác đã được sử dụng tương thích chuẩn Arduino Hầu hết

bo mạch bao gồm một bộ điều áp tuyến tính 5V và một bộ dao động tinh thể 16 MHz (hoặc cộng hưởng gốm trong một số biến thể dao động), mặc dù một số thiết kế như LilyPad chạy ở 8 MHz và chia sẻ bộ điều áp trên bo mạch do hạn chế thông số định dạng thể Bộ vi điều khiển của Arduino cũng được lập trình trước nhờ một bộ nạp khởi động theo cách đơn giản là tải lên các chương trình vào bộ nhớ flash trên chip, so với các thiết bị khác thường cần một lập trình viên bên ngoài hỗ trợ khi sử dụng

Ở cấp độ khái niệm, khi sử dụng xếp chồng phần mềm Arduino, tất cả bo mạch được lập trình nhờ kết nối nối tiếp RS-232, nhưng cách này được thực hiện khác nhau theo từng phiên bản của phần cứng Bảng mạch Arduino nối tiếp chứa một mạch dịch cấp để chuyển đổi giữa tín hiệu cấp-RS-232 và cấp-TTL Bảng mạch Arduino hiện nay được lập trình thông qua cổng USB, cài đặt này sử dụng chip chuyển đổi USB-sang-nối tiếp như FTDI FT232 Một số biến thể, chẳng hạn như Arduino Mini và Boarduino không chính thức, sử dụng một bảng mạch có thể tháo rời chuyển đổi USB-sang-nối tiếp hoặc cáp, Bluetooth hoặc các phương pháp khác (Khi được sử dụng với các công

cụ vi điều khiển truyền thống thay vì Arduino IDE, lập trình AVR ISP chuẩn phải được sử dụng.) Bảng mạch Arduino luôn cho thấy hầu hết các chân nối I/O pins của vi điều khiển để sử dụng bởi các mạch khác Các Diecimila, Duemilanove, và Uno hiện tại cung cấp 14 chân I/O số, sáu trong số đó có thể tạo tín hiệu điều biến độ rộng xung,

và sáu đầu vào tương tự Các chân nằm ở mặt trên bo mạch, thông qua đầu chân cái 0.10-inch (2,5 mm) Một số shield ứng dụng nhúng plug-in cũng đã có ở dạng thương mại

Bo mạch Arduino Nano và Bare Bones tương thích Arduino có thể cung cấp các chân cắm đực ở mặt dưới của bo mạch để kết nối các bo mạch khác không cần hàn Có rất nhiều bo mạch tương thích Arduino và bo mạch dẫn xuất từ Arduino Một số có chức năng tương đương với Arduino và có thể được sử dụng thay thế lẫn cho nhau Phần lớn là Arduino cơ bản với việc bổ sung các trình điều khiển đầu ra phổ biến, thường sử dụng trong giáo dục cấp trường để đơn giản hóa việc lắp ráp các xe đẩy và robot nhỏ

Những biến thể khác là tương đương về điện nhưng thay đổi tham số dạng factor), đôi khi cho phép tiếp tục sử dụng các Shield, đôi khi không Một số biến thể sử dụng bộ vi xử lý hoàn toàn khác, với mức độ khác nhau về tính tương thích

(form-2.1.4 Phần mềm

Môi trường phát triển tích hợp (IDE) Arduino là một ứng dụng đa nền tảng được viết bằng Java, và được dẫn xuất từ IDE cho ngôn ngữ lập trình xử lý và các dự án lắp ráp Nó được thiết kế để làm nhập môn lập trình cho các nhà lập trình và những người mới sử dụng khác không quen thuộc với phát triển phần mềm

Nó bao gồm một trình soạn thảo mã với các tính năng như làm nổi bật cú pháp, khối chương trình và thụt đầu dòng tự động, và cũng có khả năng biên dịch và tải lên các chương trình vào bo mạch với một nhấp chuột duy nhất

Để lập trình cũng như gửi lệnh và nhận tín hiệu từ mạch Arduino, nhóm phát triển dự

án này đã cũng cấp đến cho người dùng một môi trường lập trình Arduino được gọi là Arduino IDE (Intergrated Development Environment) -(Hình 2.2)

Hình 2 2 Môi trường lập trình Arduino (Arduino IDE)

2.2 Cơ sở điều khiển hệ thống an toàn

Vấn đề quan trọng của việc điều khiển hệ thống an toàn trên xe là việc xác định được vùng không gian cá nhân, để biết xe đã tiến vào vùng không gian này hay chưa phải xác định được khoảng cách từ xe đến người phía trước Khoảng cách sẽ được tính toán nhờ cảm biến siêu âm dựa trên nguyên lí TOF

2.2.1 Khái niệm không gian cá nhân

Không gian cá nhân là khu vực xung quanh một cá nhân coi nó là của mình một cách vô thức Hầu hết mọi người đánh giá cao không gian cá nhân của mình và cảm thấy không thoải mái, tức giận hoặc lo lắng khi không gian cá nhân của họ bị xâm lấn

Về tâm lý học, mọi người cảm thấy sợ hãi và khó chịu khi không gian cá nhân của họ

bị xâm chiếm Do đó cần phải xem xét tác động tâm lý do xe điện cá nhân gây ra khi

nó di chuyển trong khu vực có người Từ đó thiết kế hệ thống an toàn có thể cảnh báo

và giúp xe thoát nhanh khỏi vùng không gian cá nhân

2.2.2 Nguyên lí TOF và cơ sở của việc đo khoảng cách bằng cảm biến siêu âm

Sóng siêu âm được truyền đi trong không khí với vận tốc khoảng 343[m/s] Nếu một cảm biến phát ra sóng siêu âm và thu về các sóng phản xạ đồng thời, đo được khoảng thời gian từ lúc phát đi tới thu về, thì ta có thể tính toán được quãng đường mà sóng đã di chuyển trong không gian Quãng đường di chuyển của sóng sẽ bằng 2 lần khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngại vật, theo hướng phát của sóng siêu âm Hay khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngại vật sẽ được tính theo nguyên lý TOF:

2

Chương 3: THIẾT KẾ TÍNH TOÁN XE ĐIỆN CÁ NHÂN

3.1 Thiết kế cơ khí cho xe điện cá nhân

3.1.1 Phân tích lựa chọn phương án thiết kế

Ngày nay có rất nhiều xe điện cá nhân như xe đạp điện, xe máy điện, các loại xe cân bằng một bánh, xe cân bằng hai bánh, xe điện cỡ nhỏ ba bánh, xe điện cỡ nhỏ bốn bánh Chúng đa dạng về chủng loại, hình dáng và sau thiết kế chế tạo phải đảm bảo một số yêu cầu sau:

- Xe phải vận hành ổn định, độ tin cậy cao trong các điều kiện sử dụng

- Dễ dàng sửa chữa, bảo dưỡng

- Có tính thẩm mỹ, giá thành thấp, tuổi thọ cao

- Dễ dàng điều khiển, an toàn

- Phù hợp với mọi lứa tuổi, người già người trẻ đều có thể dùng được

- Có tính kinh tế, tránh lãng phí công suất và tiêu hao nguồn năng lượng Các phương án thiết xe điện cân bằng hai bánh, xe điện bằng hai bánh, xe điện cá nhân bốn bánh, xe điện cá nhân ba bánh:

3.1.1.1 Phương án thiết kế xe điện tự cân bằng

Hình 3 1 Phương án thiết kế xe tự cân bằng hai bánh

1 – Cần tựa điều khiển; 2 – Thân xe (Khung + Bộ điều khiển + Acquy) ;

3 – Động cơ điện BLDC liền bánh xe

2

1

3

Để cân bằng, trọng tâm của xe bao gồm người sử dụng cần được nằm giữ các bánh

xe (đối với xe hai bánh) hoặc nằm giữa bánh xe (đối với xe một bánh) Điều này giống như việc ta giữ một cây gậy thăng bằng giữa lòng bàn tay Thực ra trọng tâm của toàn

bộ xe không biết nằm ở vị trí nào, cũng không có cách nào tìm ra nó, và có thể không

có khả năng di chuyển bánh xe đủ nhanh để nó luôn ở dưới toàn bộ trọng tâm Nhưng thay vì tìm cách xác định trọng tâm giữ các bánh xe, tay lái cần được giữ thẳng đứng, vuông góc với sàn xe

Nếu tay lái được đẩy hơi nghiêng tới trước, xe sẽ chạy tới trước và khi nó được đẩy nghiêng ra sau thì xe chạy lùi Đây là phân tích lý tính, hầu hết mọi người đều có thể kiểm soát tay lái trong vài giây để giữ nó Để dừng lại, chỉ cần kéo trọng tâm xe nghiêng ngược hướng đang duy chuyển thì tốc độ xe giảm xuống Do tốc độ cảm nhận

và phản ứng của mổi người khác nhau nên xe chỉ thiết kế cho một số người sử dụng

Ưu điểm :

- Thiết kế nhỏ gọn, nhẹ chiếm diện tích nhỏ, không gây tắt nghẽn giao thông Nhược điểm :

- Khá mệt mỏi, không thể thư giản do phải đứng điều khiển

- Không có tính ổn định cao, không an toàn

- Khó điều khiểu, chỉ phù hợp với một số người

3.1.1.2 Phương án thiết kế xe điện cá nhân cỡ nhỏ bốn bánh (ba bánh)

2 1

Hình 3 2 Phương án thiết kế xe điện cân bằng một bánh

1 – Cần từa điều khiểu ; 2 – Bộ điều khiển & Acquy ;

3 – Động cơ điện BLDC liền bánh xe ; 4 – Tựa để chân

Không giống như xe tự cân bằng hai bánh, việc thăng bằng và ổn định của xe điện

ba bánh hoặc bốn bánh là nhờ trong tậm của chúng nằm trong mặt phẳng do các bánh

xe tạo ra

Xe sử dụng nguồn năng lượng điện từ bình acquy, có thể hoạt động lâu hơn xe tự cân bằng Hệ thống điều khiển lái điện bằng việc sử dụng hai động cơ điện tạo nguồn động lực độc lập cho hai bánh trước Bánh sau sử dụng loại bánh xe onmi bị động, bánh xe onmi có thể chuyển động song phương, không gây cưỡng bức động học khi xe quay vòng Hệ thống điều khiển điện, góp phần làm cho kết cấu lái của xe đơn giản, và

dễ dàng phát triển hệ thống an toàn – hệ thống hỗ trợ thoát khỏi vùng an toàn

Ưu điểm :

- Thiết kế nhỏ gọn

- Dễ dàng phát triển hệ thống an toàn

- Hoạt động ồn định

- Điều khiển dể dàng, phù hợp với mọi lứa tuổi

- Dễ dàng định hướng phát triển phương án thiết kế này dành cho người tàn tật

- Khung + tay cầm chắc chắn, tạo cảm giác an toàn

Nhược điểm :

- Thiết kế điểu khiển điện tử sử dụng bánh sau bị động onmi quá đắt

- Khá mệt mỏi khi điều khiển xe vì người dùng phải đứng

Hình 3 3 Phương án thiết kế xe điện cá nhân a) Phương án thiết kế xe bốn bánh ; b) Phương án thiêt kế xe ba bánh

1 – Tay cầm; 2 – Bánh xe chủ động; 3 – Thân xe; 4 – Bánh xe sau (bị động)

quyết định chọn phương án thiết kế xe điện cá nhân ba bánh sử dụng bánh bị động phía sau là bánh xe đa hướng vì giá thành của bánh xe rẽ dễ tìm mua

3.1.2 Thiết kế tổng thể xe điện cá nhân ba bánh

3.1.2.1 Thiết kế chung

a)

b)

Hình 3 4 Các hình chiếu của xe điện cá nhân a) Hình chiếu đứng ; b) Hình chiếu bằng ; c) Hình chiếu phía đầu xe ;

d) Hình chiếu phía sau xe

1 – Tay cầm; 2 – Vị trí đặt cảm biến lái; 3 – Mạch công suất động cơ ;

4 – Acquy ; 5 – Bộ xử lý trung tâm (Arduino) ; 6 – Bánh xe sau (bị động) ;

7 – Động cơ DC ; 8 – Bánh xe trước (chủ động)

Bảng 3 1 Thông số kỹ thuật của xe điện thiết kế

STT Thông số Đơn vị Giá trị

3.1.2.2 Phân bố tải trọng của xe điện

Sự phân bố trọng lượng lên các trục của xe thiết kế khi không tải và khi có tải được xác định trên cơ sở giá trị các thành phần trọng lượng và vị trí tác dụng của chúng lên các trục của xe điện

a) Cơ sở lý thuyết

• Tọa độ trọng tâm của xe điện thiết kế theo chiều dọc :

a: khoảng cách từ trọng tâm ô tô đến cầu trước b: khoảng cách từ trọng tâm ô tô đến cầu sau

• Tọa độ trọng tâm của xe theo chiều cao hg :

Căn cứ vào giá trị các thành phần trọng lượng và tọa độ trọng tâm của chúng, ta xác định tọa độ trọng tâm của xe theo công thức [6]:

m i i i

G

l G a

1

1

)(

m i

i i

G

h G h

1

1

)(

(3.3)

Trong đó :

li: Khoảng cách từ tâm vết tiếp xúc bánh trước đến toạ độ trọng tâm các thành phần khối lượng

hi: Chiều cao trọng tâm các thành phần khối lượng

G: Trọng lượng bản thân xe

Các thành phần khối lượng bao gồm :

Gk : Trọng lượng khung xương

Gct: Trọng lượng trục trước và bánh xe

Gcs: Trọng lượng bánh xe sau

Gm: Trọng lượng động cơ

Gat: Trọng lượng acquy trước

Gas: trọng lượng acquy sau;

Gl : trọng lượng tay lái

Bỏ qua trọng lượng của khối mạch điều khiển

• Phân bố trọng lượng lên các cầu:

L

b G

b) Trường hợp không tải

Sơ đồ phân bố trọng lượng của xe điện như sau:

Gl

Gas

Gat

Gm

cs

Gct

520

5 Acquy trước Gat 3 200 150 600 450

Tổng Σ 30 4105 6665 Theo (3.1), (3.2), (3.3), (3.4), (3.5) ta tính được :

a = 140 mm

b = L – a = 520 -140 =380 mm

hg = 225 mm Z1 = 219,2 N Z2 = 80,8 N

c) Trường hợp đầy tải

Các thành phần trọng lượng gồm :

G : Trọng lượng xe khi không tải

Gn : Trọng lượng người điều khiển (1 người)

Sơ đồ phân bố trọng lượng :

Theo (3.1), (3.2), (3.3), (3.4), (3.5) ta tính được :

a = 190 mm

b = L – a = 520 -275 = 330 mm

hg = 680 mm Z1 = 952 N Z2 = 548N

3.1.3 Tính chọn động cơ điện và ắc quy

3.1.3.1 Tính chọn động cơ điện

Công suất cần thiết của động cơ điện có thể tạo ra lực kéo Fk dùng để thắng lực cản lăn của mặt đường Ff, lực cản lên dộc Fi, lực cản gió Fw và lực quán tính khi tăng tốc Fj Trên hình 3.7 trình bày sơ đồ lực tác dụng lên xe điện khi chuyển động tăng tốc ở trên dốc :

Các ký hiệu trên hình 3.7 gồm :

G – Trọng lượng toàn bộ của xe điện

Fk – Lực kéo tiếp tuyến ở bánh xe chủ động

Ff1 – Lực cản lăn ở bánh xe chủ động

Ff2 – Lực cản lăn ở bánh xe bị động

Fw – Lực cản không khí

Fi – Lực cản lên dốc

Fj – Lực quán tính của ô tô khi chuyển động

Z1, Z2 – Phản lực tiếp tuyến của mặt đường tác dụng lên các bánh xe trước và sau

Phương trình cân bằng lực như sau [6]:

k f i j