TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG BÃI ĐỖ XE THÔNG MINH
Đặt vấn đề và tính cấp thiết của đề tài
Sự phát triển của nền kinh tế năng động đã thúc đẩy sự phát triển công nghệ, đặc biệt trong lĩnh vực giao thông Theo Hiệp hội sản xuất ô tô Việt Nam, doanh số bán ô tô tháng 3/2018 đạt 21.127 xe, tăng 70% so với tháng trước, với xe du lịch tăng 48%, xe thương mại tăng 109% và xe chuyên dụng tăng 222% Sản lượng xe lắp ráp trong nước đạt 18.777 xe, tăng 76%, trong khi xe nhập khẩu đạt 2.350 xe, tăng 37% Tình hình này đòi hỏi cơ sở hạ tầng, đặc biệt là bãi đậu xe, phải được cải thiện Việc ứng dụng công nghệ cao trong xây dựng bãi đậu xe hiện đại, tự động và an toàn là rất cần thiết, đồng thời phải đảm bảo tính kinh tế và phù hợp với thực tiễn như tiết kiệm đất và tạo cảnh quan.
Mặc dù nhiều bãi đậu xe hiện đại đã được triển khai trên toàn thế giới, chúng tôi quyết tâm áp dụng kiến thức đã học để giải quyết vấn đề bãi đậu xe tại Việt Nam.
“ Thiết kế mô hình bãi đỗ xe thông minh ứng dụng xử lý ảnh ”.
Mục đích nghiên cứu
Vận dụng kiến thức để nghiên cứu và thiết kế mô hình bãi đỗ xe ô tô tự động nhằm ứng dụng thực tiễn, giúp giải quyết tình trạng thiếu bãi đậu xe tại các thành phố lớn Mô hình này sẽ xây dựng những bãi đậu xe hiện đại, tự động hóa cao, đảm bảo an toàn tuyệt đối, tiết kiệm quỹ đất và nguồn vốn xây dựng, đồng thời cải thiện cảnh quan đô thị.
Ý tưởng thiết kế mô hình bãi đỗ xe ô tô thông mình ứng dụng xử lý ảnh
Sự gia tăng nhanh chóng số lượng ô tô lưu thông cùng với cơ sở hạ tầng chưa đáp ứng tại các thành phố lớn đã dẫn đến tình trạng thiếu chỗ đậu xe, đặc biệt 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 đã áp dụng quy định cấm đỗ xe ô tô trên một số tuyến đường và thực hiện việc đậu xe theo ngày chẵn lẻ, mang lại hiệu quả bước đầu, nhưng vẫn chưa hoàn toàn 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 của mô hình này là tiết kiệm diện tích đất xây dựng, giảm chi phí và không yêu cầu công nghệ phức tạp Nó cho phép tối ưu hóa số lượng chỗ đỗ xe, đáp ứng nhu cầu sử dụng xe cộ cao mà không gây 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.
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.
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 cho bãi giữ xe ô tô xếp tầng là một quá trình quan trọng Đầu tiên, cần nghiên cứu các phương pháp thiết kế cơ khí hiện có cả trong và ngoài nước Sau khi thu thập thông tin, bạn có thể tự thiết kế lại hệ thống cơ khí của mình để đảm bảo tính hiệu quả và tiết kiệm chi phí.
- Quản lý xe theo mã code RFID kết hợp nhận dạng biển số xe:
Khi xe vào bãi, nhân viên quét thẻ RFID và giao thẻ cho khách, trong khi camera chụp hình và nhận dạng biển số xe Quá trình này gán mã code cho xe cùng với biển số, giúp sắp xếp vị trí đỗ xe trong bãi Mã code và biển số xe được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu Access.
Khách hàng chỉ cần đưa thẻ từ cho nhân viên để quét, giúp xác định vị trí ô đậu xe cần lấy Hệ thống sử dụng camera để chụp hình và nhận dạng biển số xe, so sánh với mã code và biển số đã lưu trong cơ sở dữ liệu Access, từ đó kích hoạt chương trình lấy xe ra.
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ PHẦN CƠ KHÍ
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 là lựa chọn lý tưởng cho việc điều khiển chính xác với tốc độ tương đối thấp, rất phù hợp với yêu cầu điều khiển khung nâng trong các mô hình, mặc dù momen của nó tương đối nhỏ.
Động cơ DC có ưu điểm về tốc độ cao và momen lớn, cung cấp nhiều mức công suất khác nhau Tuy nhiên, để phù hợp với yêu cầu của khung nâng trong mô hình, cần sử dụng bộ giảm tốc để giảm tốc độ và tăng momen một cách hiệu quả.
Các cơ cấu chuyển động trong mô hình bãi đỗ xe ô tô chủ yếu không chịu tải trọng lớn, chỉ chịu tải trọng từ chính cấu trúc máy, do đó yêu cầu động cơ có công suất nhỏ Nhóm đã quyết định sử dụng động cơ bước để dẫn động các trục vì dễ điều khiển, phổ biến và có giá thành hợp lý Tuy nhiên, do không có bộ phận phản hồi bù sai số, động cơ có thể gặp tình trạng tụt bước hoặc mất bước trong trường hợp quá tải hoặc quá nhiệt Vì vậy, trong quá trình thiết kế, nhóm sẽ nỗ lực giảm thiểu sai lệch không mong muốn đến mức tối thiểu.
Trên thị trường hiện nay, có nhiều loại động cơ bước từ các hãng khác nhau, bao gồm cả hàng cũ và mới Điểm chung của các động cơ bước là công suất thường không lớn; nếu có công suất lớn, kích thước sẽ cồng kềnh và giá thành cao Động cơ bước phổ biến hiện nay thường có công suất khoảng 50W, vì vậy nhóm đã quyết định chọn loại này.
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
Động cơ bước NEMA 17 là loại động cơ phổ biến nhất cho mô hình kích thước trung bình, với kích thước 1,7×1,7 inch (42,3×42,3 mm) Ngoài NEMA 17, còn có các loại động cơ bước khác như NEMA 11, NEMA 14 và NEMA 23, trong đó kích thước động cơ tăng dần theo số hiệu NEMA.
Động cơ bước, thường được điều khiển bởi driver A4988, là một loại động cơ đặc biệt, kết hợp giữa động cơ một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ Khác với các động cơ thông thường, động cơ bước quay theo từng bước với độ chính xác cao về góc quay, cho phép biến đổi các tín hiệu điều khiển thành chuyển động góc quay liên tục.
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
➢ Phương án thứ nhất : bộ truyền xích
- 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
- 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 vít me đai ốc
Hình 2.4 : Bộ truyền vít me đai ốc
- 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
- 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
- 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
- Khoảng cách trục có thể lớn
- Không cần thiết bôi trơn
- Phí tốn bảo dưỡng ít
- Sức căng ban đầu thấp, dây đai bị dãn sau thời gian làm việc, thường xuyên căng đai
Để đáp ứng yêu cầu về tính linh hoạt, hoạt động êm ái, độ chính xác điều khiển cao và giảm chi phí mà không cần chịu tải lớn, phương án "bộ truyền đai răng" đã được lựa chọn.
Hình 2.6 : Cấu tạo cơ cấu di chuyển ngang 2.2.1.3 Tính toán
➢ Tính toán sức bền trục dẫn hướng
• Tính toán gần đúng trục
Thanh dẫn giúp định hướng cho pallet di chuyển theo đúng lộ trình đã thiết lập Do hai thanh chịu lực ngang nhau và có tác dụng tương tự, nên khi tính toán độ bền, chỉ cần xem xét một thanh và suy ra từ 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 :
- Mu, Mx - momen uốn xoắn và xoắn ở tiết diện tính toán ( N.mm )
- β = d o d ; do - đường kính trong của trục rỗng
- [σ] - ứng suất cho phép ( N/mm 2 ) Áp dụng công thức (7-4) trang 117[3] :
- Vì sử dụng trục đặc nên = 0
- Với vật liệu trục là thép 45, nên ta có giới hạn bền Tra bảng 7.2 trang 119[3], có
Thay vào công thức, ta có được :
Lấy theo đường kính trục tiêu chuẩn : d = 8 (mm)
Ta có : Momen cản uốn của tiết diện trục : W 3 8 3 50,3
Ta có ứng suất cho phép = 50( N mm / 2 ) => (Thỏa mãn điều kiện bền)
➢ Tính chọn bộ truyền đai răng
Xác định modun m theo công thức 4.58 trang 156[1] : 3 1
- P1: công suất trên bánh chủ động Chọn P1=1 (W)= 0,001 (KW)
- Cr : Hệ số tải trọng động Cr = 1,5
- n1: số vòng quay của bánh dẫn: n1=n2= 120( vòng/ phút)
Như vậy ta có: 25 3 0, 001 1,5 0,58 m = 120 = => ta chọn modun m=0,8(mm)
2 1 n Z i = n = Z =1 => Z2= i.Z1= 20 (răng) ( thỏa mãn Z2 max = 115 răng) Đường kính vòng chia của bánh răng chủ động d1 = m.Z1=0,8.20(mm) Đường kính vòng chia của bánh răng bị động 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 = 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 :
Chiều dài đường răng : 6 mm
Số răng ăn khớp trên bánh đai.Vì 2 bánh đai có đường kính và số răng là như nhau nên ta tính cho 1 đai
- 1 là góc ôm bánh đai nhỏ : 1 180 Z 2 Z 1 57, 3 180 0
= − a − = Thỏa mãn điều kiện về góc ôm
2.2.2 Cụm cơ cấu đưa xe vào ra
2.2.2.1 Lựa chọn phương án dẫn động Để truyền động giữa hai trục cách xa nhau, ta cân nhắc giữa các phương án sau :
➢ Phương án thứ nhất : bộ truyền xích
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- Khoảng cách trục có thể lớn
- Không cần thiết bôi trơn
- Phí tốn bảo dưỡng ít
- Sức căng ban đầu thấp, dây đai bị dãn sau thời gian làm việc, thường xuyên căng đai
Để đáp ứng yêu cầu về tính linh hoạt, hoạt động êm ái, độ chính xác điều khiển cao và chi phí thấp mà không cần chịu tải lớn, phương án "bộ truyền đai răng" đã được lựa chọn.
Hình 2.11 : Cấu tạo cơ cấu di chuyển ngang 2.2.2.3 Tính toán
➢ Tính toán sức bền trục dẫn hướng
• Tính toán gần đúng trục
Thanh dẫn giúp định hướng cho pallet di chuyển theo đúng lộ trình đã thiết lập Bởi vì hai thanh chịu lực tương đương, khi tính toán độ bền, chỉ cần xem xét một thanh và suy ra từ thanh còn lại.
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 = d o d ; do - đường kính trong của trục rỗng :
- [σ] - ứng suất cho phép (N/mm 2 ) Áp dụng công thức (7-4) trang 117[3] :
Vì sử dụng trục đặc nên = 0
Với vật liệu trục là thép 45, nên ta có giới hạn bền Tra bảng 7.2 trang 119[3], ta có :
Thay vào công thức, ta có :
=> Lấy theo đường kính trục tiêu chuẩn : d = 8 (mm)
Ta có : Momen cản uốn của tiết diện trục :
Ta có ứng suất cho phép : = 50( N mm / 2 ) => (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] :
- P1: công suất trên bánh chủ động Chọn P1=1 (W)= 0,001 (KW)
- Cr : Hệ số tải trọng động Cr = 1,5
- n1: số vòng quay của bánh dẫn: n1=n2= 120( vòng/ phút)
Như vậy ta có: 25 3 0, 001 1,5 0,58 m = 120 = => ta chọn modun m=0,8(mm)
Để tính toán các thông số của hệ thống bánh răng, ta có: \( Z_1 = n = Z = 1 \) dẫn đến \( Z_2 = i \cdot Z_1 = 20 \) (răng), trong đó \( Z_2 \) phải thỏa mãn điều kiện tối đa \( Z_2 \leq 115 \) răng Đường kính vòng chia của bánh răng chủ động được tính bằng công thức \( d_1 = m \cdot Z_1 = 0,8 \cdot 20 \) (mm), cho kết quả \( d_1 = 16 \) mm Tương tự, đường kính vòng chia của bánh răng bị động là \( d_2 = m \cdot Z_2 = 0,8 \cdot 20 = 16 \) mm Cuối cùng, khoảng cách trục nhỏ nhất được xác định bằng công thức \( a_{min} = 0,5 \cdot (d_1 + d_2) + C \) với \( C = 2 \cdot m \).
=> amin= 0,5.(20+20) +2.0,8 = 21,6(mm) Để đảm bảo kích thước theo thiết kế ban đầu ta chọn a 0(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 ăn khớp trên bánh đai.Vì 2 bánh đai có đường kính và số răng là như nhau nên ta tính cho 1 đai
- 1 là góc ôm bánh đai nhỏ : 1 180 Z 2 Z 1 57, 3 180 0
= − a − = Thỏa mãn điều kiện về góc ôm
2.2.3 Cơ cấu nâng hạ xe
2.2.3.1 Lựa chọn phương án dẫn động
Ta cân nhắc các phương án sau :
➢ Phương án thứ nhất : bộ truyền xích
- 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
- 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
- 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
- Hiệu suất thấp do ma sát trên ren
- Nhanh chóng bị mài mòn
Để đáp ứng yêu cầu chịu trọng lượng của động cơ, pallet và xe, đồng thời thực hiện việc di chuyển chính xác mà không cần tốc độ cao, phương án "bộ truyền vít me đai ốc" đã được lựa chọn.
Hình 2.14 : Cấu tạo cơ cấu nâng hạ
➢ Tính toán sức bền trục dẫn hướng
Thanh dẫn có vai trò quan trọng trong việc hướng dẫn pallet di chuyển đúng hướng đã định Trong cơ cấu này, thanh dẫn không bị ảnh hưởng bởi mô men xoắn và mô men uốn là không đáng kể Chúng ta lựa chọn thanh dẫn tương tự như hai cơ cấu trước đó, với vật liệu là thép C45, đường kính 8 mm và chiều dài 550 mm.
➢ Bộ phận truyền động vít me
Để tính toán bộ truyền vít me cho động cơ chuyển động, nhằm di chuyển đai ốc vít me lên xuống, cần xác định lực dọc trục lớn nhất khi vít me đi lên theo trục Z Lực dọc trục trên vít me được tính là Fa = Pbộ truyền = 20 (N) Áp dụng công thức (8.10) trang 308 trong tài liệu [1] để tính đường kính của vít me.
- H hệ số chiều cao đai ốc
- h hệ số chiều cao ren
Thay vào công thức trên 2 18 0,8
Trục vít me có đường kính ren 8mm là lựa chọn phổ biến cho các mô hình nhỏ và máy in 3D, nhờ vào giá thành hợp lý và sự phổ biến trên thị trường.
Vật liệu trục : thép không gỉ
Vật liệu đai ốc : đồng
• Kiểm nghiệm độ bền bộ truyền vít me
Ta kiểm nghiệm theo công thức (8.11) trang 309 [1] :
- td - ứng suất tương đương
- k - ứng suất kéo cho phép
Với ch là giới hạn chảy vật liệu Tra bảng (3-8) trang40[tài liệu 3] :
(N/mm 2 )