ĐỒ ÁN MÔN HỌCTHIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬĐề bài:THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂNROBOT DÒ LINE

Sa bàn của đồ án môn học thiết kế hệ thống cơ điện tử Khi bắt đầu, robot được đặt tại vị trí START điểm A, sau đó robot chạy theo tứ tự đi qua các điểm nút qui định lần lượt như sau: Khá

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ – BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ

-oOo -ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

Đề bài:

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN

ROBOT DÒ LINE

GVHD: TS Lê Đức Hạnh SVTH:

Lê Quốc Diện MSSV: 1710753

Lê Tuấn Cảnh MSSV: 1710650 Nguyễn Hồng Dĩ MSSV: 1710757

TP HCM, tháng 12 năm 2020

Họ và tên MSSV Phân công công việc

Lê Quốc Diện 1710753 Quản lí dự án, phân tích động học, thiết kế

bộ điều khiển, mô hình hóa và mô phỏng

Tô Nam Bình 1710639 Thiết kế hệ thống điện, cảm biến

Lê Tuấn Cảnh 1710650 Thiết kế cơ khí

Nguyễn Hồng Dĩ 1710757 Lập trình điều khiển, giải thuật

Chúng em xin gửi lời cám ơn đến TS Lê Đức Hạnh đã tận tình hướng dẫn, trợ giúpnhóm hoàn thành đồ án môn học Thiết kế hệ thống Cơ Điện Tử Những kiến thứcđược tiếp thu từ môn học này sẽ là hành trang vững chắc cho mỗi thành viên trongnhóm để vững bước trong con đường học tập và phát triển sự nghiệp sau này.

Xin chân thành cám ơn Thầy!

Nhóm thực hiện

TP HCM, tháng 12 năm 2020

DANH MỤC HÌNH ẢNH vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU ix

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.2 Robot dò line 1

1.3 Một số robot dò line tiêu biểu trong các cuộc thi 2

1.3.1 The Chariot tại LVBots 2015 [1] 2

1.3.2 Silvestre tại Cosmobot 2012 3

1.3.3 CartisX04TypeD [3] tại All Japan Robotrace 2016 4

1.3.4 RS-100 tại All Japan Robotrace 2017 [3] 5

1.4 Đầu bài thiết kế 6

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 7

2.1 Phương án thiết kế cơ khí 7

2.1.1 Lựa chọn kết cấu xe 7

2.1.2 Lựa chọn loại động cơ 9

2.1.3 Chọn loại bánh xe 10

2.2 Phương án cảm biến 10

2.2.1 Lựa chọn loại cảm biến 10

2.2.2 Giải thuật xác định tọa độ line 12

2.3 Phương án cấu trúc điều khiển 14

2.3.1 Lựa chọn cấu trúc điều khiển 14

2.3.2 Lựa chọn cách thức giao tiếp 16

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CƠ KHÍ 17

3.1 Tính toán lựa chọn động cơ dẫn động: 17

3.2 Tính toán lựa chọn động cơ điều hướng: 19

3.3 Tính toán xác định kích thước sơ bộ của xe: 21

3.3.1 Kích thước bao 21

3.3.2 Chiều cao xe 21

3.4 Tính toán thiết kế cụm dẫn động, điều hướng: 22

3.4.1 Tính toán, thiết kế cụm dẫn động: 22

3.4.2 Tính toán, thiết kế cụm điều hướng: 27

3.5 Bố trí thiết bị linh kiện trên khung xe 29

4.1 Phân tích động học cho robot dò line 31

4.2 Nhận dạng hàm truyền động cơ và driver 40

4.2.1 Thu thập dữ liệu động cơ 41

4.2.2 Chọn cấu trúc mô hình toán động cơ 41

4.2.3 Đánh giá mô hình nhận dạng 42

CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN 44

5.1 Sơ đồ khối hệ thống điện 44

5.2 Cảm biến 44

5.2.1 Chọn cảm biến 44

5.2.2 Tính toán giá trị điện trở 46

5.2.3 Lựa chọn vi điều khiển 46

5.2.4 Chọn hướng đặt cảm biến 46

5.2.5 Chọn khoảng cách giữa cảm biến với sa bàn 48

5.2.6 Chọn khoảng cách giữa các cảm biến 50

5.2.7 Tính số lượng cảm biến 51

5.2.8 Tuyến tính hóa cảm biến 51

5.2.9 Xác định vị trí tâm line 52

5.3 Nguồn điện 52

5.4 Mạch nguồn 52

5.5 Mạch driver động cơ 53

5.6 Thiết kế board mạch điều khiển 53

5.7 Thiết kế mạch cảm biến 54

CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 56

6.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 56

6.2 Thiết kế bộ điều khiển 1 56

6.2.1 Các tiêu chí thiết kế bộ điều khiển 56

6.2.2 Thiết kế bộ điều khiển PI 56

6.2.3 Mô phỏng đáp ứng và thực nghiệm 57

6.3 Thiết kế bộ điều khiển 2 58

6.3.1 Các tiêu chí thiết kế bộ điều khiển 58

6.3.2 Thiết kế bộ điều khiển Sliding Mode 58

7.1 Mô hình hóa sa bàn 61

7.2 Mô hình hóa cảm biến 61

7.3 Kết quả mô phỏng 62

CHƯƠNG 8: THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 65

8.1 Kết quả thực nghiệm 65

8.2 Kết luận 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

Hình 1.2 The Chariot (a) và sơ đồ nguyên lí dẫn động (b) 2

Hình 1.3 Silvestre (a) và sơ đồ nguyên lý dẫn động (b) 3

Hình 1.4 CartisX04 (a) và sơ đồ nguyên lý dẫn động (b) 4

Hình 1.5 RS-100 (a) và sơ đồ nguyên lý dẫn động (b) 5

Hình 3.1: Mô hình toán của 1 bánh xe khi chuyển động 17

Hình 3.2 Phân tích lực cho cụm điều hướng 20

Hình 3.3 Mô hình toán khi xe vào cua 21

Hình 3.4 Sơ đồ kết cấu cụm dẫn động 22

Hình 3.5 Momen xoắn trục trung gian 23

Hình 3.6 Mô hình hệ thống treo 24

Hình 3.7 Cụm lò xo lá và phân tích lực 26

Hình 3 8 Sơ đồ kết cấu khi xe vào góc cua 28

Hình 3.9 Mô hình 3D của robot dò line 29

Hình 3.10 Mô hình 3D nhìn phía dưới 29

Y Hình 8.1 Kết quả sai số e 2 đo về lúc thực nghiệm 65

Hình 8.2 Robot dò line được chế tạo 65

Bảng 1.1 Thông số kỹ thuật của The Chariot 2

Bảng 1.2 Thông số kỹ thuật của Sylvestre 4

Bảng 1.3 Thông số kỹ thuật của Sylvestre 5

Bảng 1.4 Thông số kỹ thuật của RS-100 6

1.1 Mục tiêu đồ án

Thiết kế robot dò line chạy theo chiều quy định trên sa bàn:

Hình 1.1 Sa bàn của đồ án môn học thiết kế hệ thống cơ điện tử

Khi bắt đầu, robot được đặt tại vị trí START (điểm A), sau đó robot chạy theo tứ tự

đi qua các điểm nút qui định lần lượt như sau:

Khái niệm: Robot dò line (Line following Robot) là một dạng robot di động (mobile

robot) di chuyển bằng bánh xe Robot sẽ di chuyển bám theo các đường line đượckẻ/vẽ/dán trên mặt đất Quỹ đạo di chuyển của robot phụ thuộc vào sa bàn của hệthống các đường line được kẻ/vẽ/dán sẵn

Robot dò line có thể được sử dụng cho các mục đích quân sự, dịch vụ giao hàng, hệthống vận chuyển… Hơn nữa, có nhiều các cuộc thi về robot dò line được tổ chứckhắp nơi trên thế giới: All Japan Robotrace, MCU Car Rally, LVBots, Cosmobot…

1.3 Một số robot dò line tiêu biểu trong các cuộc thi

1.3.1 The Chariot tại LVBots 2015 [1]

Hình 1.2 The Chariot (a) và sơ đồ nguyên lí dẫn động (b)

The Chariot xếp hạng 2 trên tổng số 17 đội của cuộc thi LVBots 2015 được tổchức bởi Pololu

The Chariot sử dụng 2 động cơ DC để dẫn động hai bánh sau, phía trước có mộtbánh cầu tự lựa giúp tiếp xúc mặt đường tốt Bằng việc sử dụng động cơ có tốc độquay cao (575vòng/phút tại 7,5V) kết hợp với đường kính bánh xe lớn (70 mm) TheChariot có thể đạt được tốc độ tối đa 2 m/s khi chạy thẳng và tốc độ trung bình

Trung bình: 1,17m/sCảm biến: Dãy cảm biến hồng ngoại: QTR-8RC

Vi điều khiển: A-Star 32U4 Mini LV

Bảng 1.1 Thông số kỹ thuật của The Chariot

Ngoài ra, The Chariot còn được trang bị thêm bộ ổn áp D24V25F7 để giúp duytrì ổn định mức điện áp tại nguồn, do đó có thể cải thiện hiệu năng cho robot

Tuy nhiên, trọng tâm robot đặt cao, các hệ số PID chưa được hiệu chỉnh tốt nênkhi qua các đoạn cua ¿90 ° robot có độ vọt lố lớn, dẫn đến xe bị dao động quanh line

từ đó ảnh hưởng đến tổng thời gian hoàn thành sa bàn

Ưu điểm:

+ Nguyên lí dẫn động cho phép cua góc lớn, có thể xoay tại chỗ

+ Bánh tự lựa phía trước giúp xe luôn đồng phẳng, tiếp xúc đường tốt

Nhược điểm:

+ Khả năng bám line không tốt

1.3.2 Silvestre tại Cosmobot 2012

Hình 1.3 Silvestre (a) và sơ đồ nguyên lý dẫn động (b)

Sylvestre giành hạng 1 tại cuộc thi Cosmobot 2012 tại Tây Ban Nha Sylvestre sửdụng 2 động cơ DC để dẫn động hai bánh sau, phía trước có 2 bánh cầu tự lựa giúprobot đạt được độ cứng vững Sai số được cải thiện do được ước lượng bằngphương pháp nội suy bậc ba từ dữ liệu thu được từ các cảm biến hồng ngoại

Ngoài ra, accelerometer và gyro được kết hợp để ghi nhớ các đoạn đường đi, từ

Vận tốc (m/s): Tối đa: 3,73m/s

Trung bình: 1,91m/sCảm biến: Dãy 8 cảm biến hồng ngoại

Accelerometer và Gyro

Vi điều khiển: LPC2148 ARM7 32bit

Bộ điều khiển: PD

Bảng 1.2 Thông số kỹ thuật của Sylvestre

Ưu điểm:

+ Nguyên lí dẫn động cho phép cua góc lớn, có thể xoay tại chỗ

+ Do 4 có bánh nên có độ cứng vững cao, tiếp xúc đường tốt

Hình 1.4 CartisX04 (a) và sơ đồ nguyên lý dẫn động (b)

CartisX04 giành hạng 1 tại cuộc thi All Japan Robotrace 2016 CartisX04 sửdụng cơ cấu lái skid-steering cho phép đạt được độ cứng vững và góc xoay lớn (cóthể xoay tại chỗ), đồng thời CartisX04 kết hợp một động cơ dẫn cơ cấu dò line phíatrước giúp robot vẫn có thể bám line mượt khi hướng line thay đổi đột ngột.CartisX04 cũng được trang bị accelerometer và gyro để ghi nhớ các đoạn đường đi

Vận tốc (m/s): Tối đa: 3,73m/s

Trung bình: 1,91m/sCảm biến: Dãy 5 cảm biến hồng ngoại

Accelerometer và Gyro

+ Khả năng tiếp xúc đường không tốt, dễ bị trượt.

1.3.4 RS-100 tại All Japan Robotrace 2017 [3]

Hình 1.5 RS-100 (a) và sơ đồ nguyên lý dẫn động (b)

RS-100 giành hạng 1 tại cuộc thi All Japan Robotrace 2017, đánh bại đối thủ đãtừng vô địch trước đó nhiều lần là CartisX04 RS-100 sử dụng cơ cấu láiAckermann, hai bánh phía sau dẫn động đồng trục, thích hợp cho việc đua đườngtrường tốc độ cao RS-100 sử dụng hệ thống sensor fusion từ encoder, gyroscope vàaccelerometer để có thể ghi nhớ từng đoạn đường đi để điều chỉnh vận tốc thíchhợp

Tuy nhiên, RS-100 có những hạn chế nhất định do giới hạn về góc cua tối đa của

cơ cấu Ackermann, hai bánh sau dẫn động đồng trục không vi sai nên khi cua sẽ xảy

ra hiện tượng trượt bánh sau

Kích thước:

+ Dài (mm):

+ Rộng (mm):

120140

+ Góc cua tối đa bị giới hạn.

+ Khi cua xảy ra hiện tượng trượt ở bánh sau

1.4 Đầu bài thiết kế

Dựa vào mục tiêu đồ án ở Phần 1.1 và các mô hình đã tìm hiểu, nhóm đưa ra đầubài thiết kế cho robot như sau:

+ Khối lượng xe: 1,7 kg

+ Tốc độ tối đa: 1 m/s

+ Bán kính cong nhỏ nhất của line: 500 mm

2.1 Phương án thiết kế cơ khí

2.1.1 Lựa chọn kết cấu xe

Có nhiều phương án lựa chọn số bánh xe cho bài toán thiết kế robot dò line:

Xe một bánh, hai bánh, ba bánh, bốn bánh, bánh xích, bánh omni… Tuy nhiên,

để phù hợp cho việc chạy trên sa bàn trơn, phẳng và góc cua được giới hạn trước thìphải lựa chọn cấu hình xe phù hợp nên nhóm đã chọn số bánh xe là ba bánh hoặcbốn bánh

a) Xe ba bánh có hai bánh chủ động phía sau và một bánh tự lựa phía trước

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý 2 bánh chủ động, 1 bị đông

Ưu điểm:

+ Luôn đồng phẳng

+ Qua các góc cua lớn dễ dàng, không giới hạn góc quay

+ Kết cấu đơn giản

Nhược điểm:

+ Tải trọng khó phân bố đều trên ba bánh

+ Trọng tâm xe có xu hướng lệch về phía sau, làm tăng khoảng cách từ trọng tâm

xe đến cảm biến

+ Khi cua gấp dễ mất cân bằng

b) Xe bốn bánh có hai bánh chủ động phía sau và hai bánh tự lựa phía trước

+ Khó đảm bảo sự tiếp xúc của cả bốn bánh xe với mặt đường.

+ Cần đảm bảo đồng bộ và đồng trục giữa hai động cơ

c) Xe bốn bánh sử dụng vi sai cầu sau và một động cơ điều hướng phía trước

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý cấu trúc vi sai cầu sau và

1 động cơ điều hướng cầu trước

Nhược điểm:

+ Góc cua bị giới hạn

+ Khả năng tiếp xúc đường không tốt

d) Xe bốn bánh sử dụng cơ cấu lái ankerman

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý cơ cấu lái ankerman

+ Cơ cấu lái phức tạp

+ Khả năng tiếp xúc đường không tốt

→ Lựa chọn phương án: Xe bốn bánh sử dụng cơ cấu vi sai cầu sau và một động

cơ điều hướng phía trước

2.1.2 Lựa chọn loại động cơ

a) Lựa chọn loại động cơ dẫn động

+ Khả năng cung cấp momen xoắn lớn ở dải vận tốc trung bình, thấp.

+ Khả năng cung cấp mô men xoắn lớn

+ Hoạt động ở dải vận tốc trung bình, thấp

Camera được dùng để ghi lại hình ảnh đường line thực tế, sau đó xử lý vàđưa ra thông số đồ sai lệnh vị trí tương đối của xe so với line.

Nguyên lý: Dùng camera nhận diện line, xử lý ảnh rồi đưa ra vị trí tương đối

của xe với đường line

b) Cảm biến hồng ngoại (IR) sensor

Nguyên lý: Led hồng ngoại sẽ giảm nội trở khi có bức xạ hồng ngoại chiếu

vào Bức xạ hồng ngoại từ led phát gặp màu đen của đường line sẽ phản chiếu lại

và được led thu tạo ra tín hiệu điện áp, kết hợp nhiều cặp led hồng ngoại thu phát

và xử lý tín hiệu điện áp đọc về ta biết được vị trí tương đối của xe so với đườngline

c) Cảm biến quang trở (photoresistor)

Nguyên lý: Điện trở thay đổi khi thay đổi cường độ ánh sáng chiếu vào

quang trở Khi led chiếu ánh sáng xuống nền, ánh sáng sẽ phản xạ khác nhautrên các màu khác nhau, từ đó nhận biết được vị trí line

Ưu điểm:

+ Giải thuật xử lý đơn giản

+ Chi phí thấp

Nhược điểm:

+ Bị nhiễu bởi nhiệt độ

+ Bề mặt sa bàn mấp mô, gây nhiễu

d) Cảm biến phototransistor

Nguyên lý: Phototransistor sẽ nhận ánh sáng phản chiếu của , với màu nên

khác nhau, cường độ dòng điện qua phototransistor thay đổi Xử lý tín hiệu điện

- Giả sử có 7 cảm biến, vị trí cảm biến bên trái ngoài cũng là -3

- Khoảng cách liên tiếp của hai cảm biến là 1 (theo tỷ lệ)

- Đầu ra của cảm biến cao hơn khi nó gần đường màu đen hơn, do vậy luônxác định được 3 cảm biến liên tiếp với đầu ra cao hơn các cảm biến còn lại

Mối quan hệ giữa tọa độ và đầu ra của cảm biến:

Hình 2.7 Giải thuật nội suy bậc hai

c) Giải thuật trong số trung bình

Giả sử tọa độ của 7 cảm biến lần lượt là x0, x1, x2, x3, x4, x5, x6và cá giá trịanalog đầu ra tương ứng là là y0, y1, y2, y3, y4, y5, y6 Vị trí đường line được tínhtheo công thức sau:

- Tính toán giá trị của x.

Hình 2.8 Giải thuật trọng số trung bình

→ Chọn giải thuật trọng số trung bình để tìm tọa độ tâm line

2.3 Phương án cấu trúc điều khiển

2.3.1 Lựa chọn cấu trúc điều khiển

a) Phương án điều khiển tập trung

Một vi điều khiển xử lí tất cả các tác vụ, từ xử lí tín hiệu cảm biến, giá trịencoder đến việc thực hiện chương trình chính, cấp xung cho động cơ

Hình 2.9 Cấu trúc điều khiển tập trung

b) Phương án điều khiển phân cấp

Đối với điều khiển phân cấp, nó sử dụng cấu trúc master-slave, tức là sẽ cómột vi điều khiển làm master, có chức năng thực hiện chương trình chính và cónhiều slave, mỗi slave thực hiện một tác vụ riêng biệt như: xử lí tín hiệu từ cảmbiến, tính toán vị trí xe so với line truyền về cho master; nhận tín hiệu từ encoder,tính toán, điều khiển động cơ.

Hình 2.10 Cấu trúc điều khiển phân cấp

Mỗi cấu trúc điều khiển đều có ưu - nhược điểm riêng:

Điều khiển tập trung Điều khiển phân cấp

Ưu điểm

- Tiêu tốn ít tài nguyên

- Tối đa hóa khả năng vi điều khiển

- Dễ quản lí chương trình

- Có khả năng xử lí nhiều tác

vụ cùng lúc

- Tránh các xung đột khi thực hiện nhiều tác vụ

Nhược điểm

- Dễ xung đột khi thực hiện nhiều tác vụ

- Chương trình thực hiện chậm hơn

- Chương trình khó quản lí

- Đòi hỏi sự giao tiếp giữa các

vi điều khiển

- Tốn nhiều tài nguyên

Bảng 2.1 So sánh cấu trúc điều khiển

Với mong muốn xe đạt được tốc độ cao và dễ dàng quản lí chương trình, cấu trúcđiều khiển phân cấp được chọn

2.3.2 Lựa chọn cách thức giao tiếp

Hiện nay, các dòng vi điều khiển đa số đều đã được hỗ trợ các chuẩn giao tiếpSPI và I2C, riêng CAN thì được tích hợp trong các dòng vi điều khiển cao cấp 32bit, các dòng vi điều khiển tầm trung 8 bit, 16 bit thì chưa được hỗ trợ So sánh một

số đặc điểm của các chuẩn giao tiếp trên qua bảng dưới đây

Khả năng

kết nối

1 master – nhiều slave

Nhiều master – nhiều slave

Nhiều master – nhiều slaveChế độ Song công

(full-duplex)

Bán song công (half-duplex)

Yêu cầu

Cần CAN transceiver(MCP2551) và CANcontroller (MCP2510)cho các dòng vi điềukhiển không tích hợpchuẩn CANKhả năng

chống nhiễu Khả năng bị nhiễu đều cao hơn CAN Tốt nhất

Tốc độ

truyền

Tốc độ tối đathường hơn

10 Mbps

100Kbps (chế độ chuẩn)10Kbps (chế độ tốc độ thấp)

1 Mbps (tối đa)

Bảng 2.2 So sánh các chuẩn giao tiếp

Với mong muốn hệ thống có tốc độ đám ứng nhanh, ta cần chọn giao thức giaotiếp có tốc độ truyền cao, ngoài ra, nó còn cần thêm yêu cầu về chi phí, dễ thựchiện Từ những yêu cầu trên, giao thức SPI được chọn.

3.1 Tính toán lựa chọn động cơ dẫn động:

Các thông số đầu vào:

Hiệu suất bộ truyền Cardan 0,96

Bảng 3.1 Tiêu chí đầu vào lựa chọn đầu cơ dẫn động

Hình 3.1: Mô hình toán của 1 bánh xe khi chuyển động

Xem bánh xe như đĩa tròn đồng chất:

Cân bằng lực theo phương ngang cho một bánh xe:

F ms=(2m + M ) a

2

(2.4)Thay (2.4) vào (2.2) ta được:

Bảng 3.3 Thông số động cơ dẫn động

3.2 Tính toán lựa chọn động cơ điều hướng:

Phân tích lực tác dụng lên cụm điều hướng khi xoay:

+ Xét theo phương ngang: F1, F2 lần lượt là lực ma sát lăn giữa bánh xe với bề mặt

sa bàn

+ Theo phương thẳng đứng: F3 là lực do trọng lượng cụm cảm biến

Cân bằng momen theo phương ngang Giả sử tải trọng xe phân bố đều trên bốnbánh:

Hình 3.2 Phân tích lực cho cụm điều hướng

Momen xoắn cần thiết:

τ =τ × h at¿0,294 ×1,5=0,441 Kgcm

Trong đó:

F1, F2(N ) lực ma sát lăn tác dụng lên bánh xe

μ1=0,08 hệ số ma sát lăn giữa bánh xe với bề mặt sa bàn

b=0,15 m bề rộng của xe

τ (Kgcm) là momen cần thiết ở trục động cơ RC servo

Phân tích lực theo phương thẳng đứng:

Bảng 3.4 Tiêu chí lựa chọn động cơ điều hướng

Với các thông số được tính như trên ta chọn động cơ RC servo mg90s

Bảng 3.5 Thông số động cơ điều hướng

3.3 Tính toán xác định kích thước sơ bộ của xe:

Yêu cầu, ràng buộc:

- Đường kính các bánh xe: d ≤ 200mm

- Kích thước tối đa các chiều của robot (dài x rộng x cao): 350mm x 250mm x350mm

3.3.1 Kích thước bao

Kích thước bao của xe phụ thuộc vào kết cấu xe và cách sắp xếp linh kiện trên

xe Phụ thuộc vào phần mô hình hóa cho ra khoảng cách từ trục bánh sau đến trụcbánh trước và từ trục bánh trước đến cụm cảm biến Tỉ lệ dài/rộng được chọn theo tỉlệ:

Khoảng cách từ khớp xoay điều hướng đến cảm biến d2 = 85 mm.

Vậy chiều cao trọng tâm phải bé hơn 42 cm

3.4 Tính toán thiết kế cụm dẫn động, điều hướng:

3.4.1 Tính toán, thiết kế cụm dẫn động:

a) Chọn kết cấu sơ bộ cụm dẫn động

Bảng 3.6 Tiêu chí lựa chọn bộ vi sai cầu sau

Chọn bộ vi sai cầu sau xe RC WPL D12 1/16 có bánh răng làm bằng kim loạităng tính chịu lực với thông số như sau:

Bảng 3.7 Thông số bộ vi sai cầu sau

c) Tính toán chọn trục trung gian

Yêu cầu:

- Kết nối trục động cơ với cầu sau vi sai

- Chịu được momen xoắn thỏa yêu cầu

Do trục động cơ có đường kính là 4mm, trục vi sai có đường kính là 3mm và

để khắc phục tình trạng lệch tâm của hai trục, ta lựa chọn khớp truyền động khácphương Cardan Hai khớp cardan có đường kính lỗ trong lần lượt là 3,17- 4 mm

và 4-4 mm

Chọn trục trung gian d = 4 mm làm từ thép 45 có σ b=60 MPa, ứng suất xoắncho phép [τ]=20 MPa

Hình 3.5 Momen xoắn trục trung gian

Biểu đồ momen xoắn của trục nối:

d ≥√3 32 M tđ

πD [σ ]

(2.12)Suy ra: d ≥ 1,68 mm

Do đó chọn trục có d = 4 mm là thỏa yêu cầu

d) Tính toán, thiết kế cụm treo lò xo lá

Hệ thống treo dùng để truyền lực và mômen từ bánh xe lên khung hoặc vỏ xe,đảm bảo sự tiếp xúc giữa các bánh xe với mặt đường

Do bộ phần truyền động sử dụng kết cấu vi sau cầu sau nên chọn hệ thống treo

là hệ thống treo phụ thuộc

Chọn kết cấu cụm treo kết hợp giữa lò xo lá và lò xo thẳng

Giả sử tải trọng xe phân bố đều trên bốn bánh, do lò xo lá đỡ cụm vi sai haibánh sau do đó mỗi bên chịu một phần tư khối lượng xe

Mặt khác, phạm vi hoạt động có thể truyền động được của khớp cardan donhà sản xuất cung cấp là 0 - 45o Theo phương pháp gá đặt thì trục 1, và trục 3 làsong song với nhau suy ra Max(α1) = Max(α3) = 45o Lò xo thẳng có thể co giãntrong phạm vi giới hạn

Hình 3.6 Mô hình hệ thống treo ΔLL=d2sin(α1)=2,5 sin(45 °)=1,77 cm

Lựa chọn phân bố tải theo tỷ lệ 1:1

Va đập quán tính giữacác vòng lò xo

Bảng 3.9 Thông số đầu vào lựa chọn cụm lò xo thẳng

Theo TCVN 2020 - 77 và dạng tải, ta chọn được loại lò xo có các thông sốsau:

Số hiệu

của lò xo

Lực tác dụnglên lò xo khibiến dạng lớnnhất P (N)

Đườngkính dây

d, mm

Đường kínhngoài của lò

xo D, mm

Độ cứngcủa mộtvòng Z1,N/mm

Biên dạnglớn nhất củamột vòng f,mm

Bảng 3.10 Thông số kỹ thuật của lò xo

Theo TCVN 2018-77, điều kiện hoạt động trong môi trường không có hóachất ăn mòn Ta chọn vật liệu làm lò xo là thép kết cấu thấm Cacbon chất lượngtốt Ta được lò xo có các thông số xác định sau:

Đường kính

dây d (mm)

Đường kính vòngngoài D (mm) Số vòng n Vật liệu

Cacbon chất lượng tốt

Bảng 3.11 Thông số cơ bản của lò xo

Tính toán lực, chọn lò xo lá:

Thông số đầu vào:

- Cụm treo chịu tải bằng một nữa khối lượng xe, tương đương 1 kg

- Độ đàn hồi theo phương thằng đứng là 17,7 mm

- Phân tích đặc trưng cơ bản của hệ treo lò xo lá theo yêu cầu của bài:

Sau khi phân bố linh kiên, thiết bị và đặt tải lên xe, tải không còn phân bố đềutrên 4 bánh xe Nên ta chọn hệ số an toàn là 1,5

- Trong điều kiện không tải, hình dạng của lò xo có thể bị cong trên một bánkính nhất định dưới dạng hình cung Tuy nhiên khi có tải trọng hướng của lựctác dụng lên cụm lò xo lá có xu hướng thẳng lên

- Tham khảo các phương tiện ô tô, lò xo lá thường được lắp sao cho trục bánh

xe đi qua vuông góc và đi xuyên qua tâm của lò xo Mắt của nhíp thường gắnvào thân hoặc khung của xe

Tham khảo kết cấu hệ thống treo xe tải loại nhỏ và trung bình dùng nhíp lá

Bảng 3.12 Thông số đầu vào lựa chọn cụm lò xo lá

Chọn loại lò xó lá thép có sẵn trên thị trường cho xe WPL 1/16 4DW có cácthông số xác định sau:

Bảng 3.13 Thông số lò xo lá

Các thông số liên quan:

L = 64 mm chiều dài của lò xo lá

t = 0,3 mm bề dày của lò xo lá

b = 5mm chiều rộng của lò xo lá

n : số lò xo lá được lắp ghép

W = 3,75 N tải đặt lên lò xo lá

f : ứng suất uốn được tạo ra

d = 17,7 mm độ lệch ban đầu của lò xo trên cùng

4

I= b t

312

Momen M cũng được thể hiện qua công thức:

M là momen mà lực tác dụng tạo ra.

I momen quán tính (Tiết diện cắt ngang của lò xo lá là hình chữ nhật)

y là khoảng cách từ vị trí có ứng xuất uốn lớn nhất đến đường trung hòa

y=

fbt3

12t2

=fbt26

(2.13)

Cụm lò xo lá là sự kết hợp n lò xo lá lại với nhau do đó:

M=n fb t

26

(2.14)Với dạng lò xo được chọn:

→ n= 6 M fbt2=

6If

y

fb t2=

6b t312

yb t2 ≈ 3

Vậy bộ lò xo lá cần có 3 lò xo

3.4.2 Tính toán, thiết kế cụm điều hướng:

Yêu cầu:

- Đảm bảo điều hướng được cho xe

- Mang được cảm biến dò line

Để thuận lợi cho việc điều hướng, ta thiết kế cụm điều hướng có đường tâm củatrục động cơ DC servo cắt và vuông góc với trục xoay của bánh trước

Do khi vào cua thì tốc độ quay của hai bánh là khác nhau nên mỗi bánh ta sửdụng một trục riêng biệt V1≠ V2

Đề đảm bảo tính đồng tâm giữa hai trục bánh trước, phay rãnh trên khung xe để

cố định đồ gá trục

Để cố định ổ lăn khỏi khả năng di chuyển dọc trục, ta sử dụng ống lót

Hình 3 8 Sơ đồ kết cấu khi xe vào góc cua

Tính toán lựa chọn ổ lăn:

+ Tải trọng: Chỉ chịu tải trọng hướng kính do trọng lượng cụm trước, do xe dichuyển lăn không trượt nên lực ma sát lăn tác dụng theo phương dọc trục làkhông đáng kể Mỗi ổ lăn chịu một phần tư khối lượng xe

Lựa chọn: Vòng bi đỡ chặn một dãy số hiệu Vòng bi (bạc đạn) 623zz

Do khả năng tải tĩnh và tải động của ổ bi lớn hơn rất nhiều so với yêu cầu nên ta

bỏ qua bước kiểm tra tải tĩnh và tải động

→ Vòng bi 623zz thỏa yêu cầu

3.5 Bố trí thiết bị linh kiện trên khung xe

- Bố trí động cơ và bộ vi sai ở dưới gầm xe Nhằm tận dụng tối đa diện tích màkhung xe mang lại và tham khảo cách truyền động của xe tải sử dụng truyền độngcầu sau vi sai

- Bố trí pin ở gầm xe và tầng 2 của xe để thuận tiện cho việc thay thế pin

- Bố trí tải ở giữa thân xe nhằm hạ thấp trọng tâm xe

- Sắp xếp bố trí linh kiện điện thuận lợi cho việc đi dây cũng như nạp code

Hình 3.9 Mô hình 3D của robot dò line

Hình 3.10 Mô hình 3D nhìn phía dưới

3.6 Dung sai lắp ghép.

Mối ghép giữa ổ lăn với ổ đỡ: là mối ghép cố định Ổ lăn chịu tải chu kỳ do trọnglực tác dụng (Fc) và lực xuất hiện khi xe rẽ hướng (Fq) Trong đó Fc > Fq Chọn kiểulắp có độ hở để duy trì tình trạng chịu lực đồng đều nên chọn mối lắp trung gian Lắpghép theo hệ thống trục

Kích thước danh nghĩa là 10mm nằm trong khoàng từ 6 đến và bao gồm 10

Miền dung sai kích thước lỗ: ϕ 10 Js7

Sai lệch cơ bản: ± 3,5 µm

Sai lệch giới hạn của kích thước: {−29 μm29 μm

Miền dung sai kích thước trục: ϕ 10 h 6

Sai lệch cơ bản:0 µm

Sai lệch giới hạn kích thước: {−9 μm0 μm

Mối ghép giữa ổ lăn và trục: là mối ghép xoay Chọn mối ghép trung gian có

độ dôi

Lắp ghép theo hệ thống lỗ

Kích thước danh nghĩa là 3mm nằm trong khoảng từ 0 đến và bao gồm 3

Miền dung sai kích thước lỗ: ϕ 3 H 7

Sai lệch cơ bản: 0 µm

Sai lệch giới hạn của kích thước: {+10 μm0 μm

Miền dung sai kích thước trục: ϕ 3 k 6

Sai lệch cơ bản:0 µm

Sai lệch giới hạn kích thước: {+6 μm0 μm