Nghiên cứu và chế tạo phương tiện di chuyển cá nhân đồ án tốt nghiệp ngành công nghệ kỹ thuật ô tô

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................................... 1
TÓM TẮT ĐỀ TÀI .................................................................................................................. 2
DANH MỤC CÁC HÌNH ........................................................................................................ 3
LỜI NĨI ĐẦU .......................................................................................................................... 5
CHƢƠNG 01: ........................................................................................................................... 6
TỔNG QUAN VỀ PHƢƠNG TIỆN DI CHUYỂN CÁ NHÂN ........................................... 6
1.1 GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI ..................................................................................................... 6
1.2. KHÁI QUÁT VỀ PHƢƠNG TIỆN DI CHUYỂN CÁ NHÂN ..................................... 7
1.3 CƠ SỞ CHẾ TẠO XE WALKCAR ................................................................................. 9
1.4 ƢU ĐIỂM VÀ NHƢỢC ĐIỂM CỦA XE WALKCAR ................................................. 10
1.4.1 Ưu điểm:....................................................................................................................... 10
1.4.2 Nhược điểm: ................................................................................................................. 11
1.5 NHU CẦU THỊ TRƢỜNG HIỆN NAY ......................................................................... 11
CHƢƠNG 02 .......................................................................................................................... 12
NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU ĐỒ ÁN .................................................................................... 12
2.1 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI ......................................................................................................... 12
2.2 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................................................... 12
2.2.1 Xây dựng mơ hình lí thuyết: ........................................................................................ 12
2.2.2 Xây dựng mơ hình thực tế:........................................................................................... 12
CHƢƠNG 03 .......................................................................................................................... 13
MƠ HÌNH HĨA VÀ ĐIỀU KHIỂN XE .............................................................................. 13
3.1 LÍ THUYẾT TÍNH TỐN ĐỘNG LỰC HỌC ............................................................. 13
3.1.1. Cơ sở lý thuyết lực kéo động cơ ô tơ .......................................................................... 14
3.1.2 Cơ sở lý thuyết các đặc tính tăng tốc của ô tô ............................................................. 17


3.2 PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN XE .............................................................................. 18
CHƢƠNG 04 .......................................................................................................................... 19
TRIỂN KHAI THIẾT KẾ MƠ HÌNH ................................................................................. 19
4.1 TÍNH TỐN THIẾT KẾ CƠ KHÍ ................................................................................. 19

4.1.1 Các thơng số kỹ thuật của mơ hình .............................................................................. 19
4.1.2 Tóm tắt thiết kế ............................................................................................................ 20
4.1.3 Tính tốn sức bền ......................................................................................................... 20
4.1.4 Tính tốn chọn động cơ và loại pin cần sử dụng ......................................................... 20
4.2 TRIỂN KHAI VỀ PHẦN CỨNG .................................................................................... 22
4.2.1 Động cơ planet 24 V .................................................................................................... 22
4.22 Cơng tắc hành trình ...................................................................................................... 22
4.2.3 Bộ chuyển đổi điện áp LM2596 ................................................................................... 26
4.2.4 Mạch động cơ ............................................................................................................... 26
4.3 TRIỂN KHAI VỀ PHẦN MỀM ...................................................................................... 27
4.3.1 Tổng quan về Arduino ................................................................................................. 27
4.3.2 Giới thiệu về Arduino Nano ......................................................................................... 29
4.3.3 Mạch điều khiển Arduino bằng ATmega328 ............................................................... 30
4.3.4 Điều khiển động cơ DC bằng phương pháp xung PWM ............................................. 32
4.3.5 Mạch Driver điều khiển động cơ bằng Mosfet ............................................................ 34
4.4 Thiết kế chƣơng trình điều khiển ................................................................................... 39
4.5 Các hình ảnh thực nghiệm ............................................................................................... 43
CHƢƠNG 05 .......................................................................................................................... 48
KẾT LUẬN ............................................................................................................................. 48
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................................... 50


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp hay nói cách khác đây là một mốc quan trọng
của nhóm em. Đồ án đánh dấu một bước ngoặc lớn trong cuộc đời học tập sau bốn
năm học tập của nhóm em tại trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí
Minh. Sau khi kết thúc việc thực hiện đồ án, mặc dù mức độ thành công của đồ án cịn
nhiều thiếu sót nhưng trong q trình thực hiện, nhóm em đã được học rất nhiều kiến
thức về chuyên mơn cũng như thực tiễn trong cuộc sống. Ngồi ra, đồ án đem lại cho
nhóm em những bài học quý giá về vấn đề khoa học, phương pháp nghiên cứu và lĩnh

vực chun mơn mà nhóm em theo đuổi.
Việc thực hiện đồ án, khơng chỉ riêng nhóm em tự nghiên cứu mà chúng em đã
nhận được sự giúp đỡ rất nhiệt tình của q thầy cơ giáo, các anh chị cựu sinh viên và
các bạn trong Khoa Cơ Khí Động Lực.
Đầu tiên, nhóm em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS.Nguyễn Bá Hải - giáo
viên hướng dẫn trực tiếp đồ án tốt nghiệp của nhóm em. Thầy đã tạo nguồn ý tưởng và
định hướng cho em trong suốt quá trình thực hiện đồ án. Thầy dành thời gian đọc và
nhận xét về phương pháp làm, khuyến khích cho nhóm em cách làm một đồ án chuyên
nghiệp, áp dụng lí thuyết vào trong thực tiễn cuộc sống. Tận tâm nhóm em xin cảm ơn
Thầy Hải rất nhiều.
Hơn thế nữa em xin dành lời cảm ơn đặc biệt tới tất cả các Thầy (Cơ) trong
Khoa Cơ Khí Động Lực - Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí
Minh vì những kiến thức khoa học trong cuộc sống. Những sự giúp đỡ, hỗ trợ tận tình
đó sẽ tạo động lực cho nhóm em có cách nhìn mới hơn về khoa học trong thực tiễn
cuộc sống. Sống và làm việc một cách khoa học.
Trân trọng.

1


TĨM TẮT ĐỀ TÀI
Thơng qua việc tìm hiểu và phân tích thực trạng lĩnh vực xe điện cho người đi
bộ. Từ phân khúc giá xe liên quan đến thu nhập và phong cách. Đề tài đã định hướng
đúng đắn, trong sự phát triển của ngành cơng nghiệp ơ tơ nói chung và ngành xe điện
cho người đi bộ nói riêng. Các lĩnh vực đang bị ảnh hưởng bởi sự phát triển của xã hội
hiện nay. Bằng việc phân tích và nghiên cứu nhu cầu thị trường. Nhóm em nhận thấy
trong sự phát triển nhanh hiện nay, với một xu hướng phát triển mạnh mẽ các trung
tâm thương mại, đô thị, các làn đường lớn dành cho người đi bộ, kéo theo đó là nhu
cầu đi lại tiện nghi cho người đi bộ ngày càng được ưu tiên và ưa chuộng. Thị trường
xe điện cho người đi bộ có thể nói là vô cùng rộng lớn.

Đề tài nghiên cứu và chế tạo phương tiện di chuyên cá nhân lấy nguồn cảm
hứng từ nhu cầu thực tế trên. Đề tài chủ yếu dựa trên lí thuyết đã có sẵn trong ngành ơ
tơ, các kiến thức liên quan đến chuyển động học của ô tô, các chương trình điều khiển
đã học như điều khiển simulink, matlap, điều khiển arduino,… để chế tạo xe điện cá
nhân cho người đi bộ. Đề tài nghiên cứu và chế tạo phương tiện di chuyển cá nhân cho
người đi bộ đã tạo được một mơ hình thực tế có đầy đủ các tính năng cần thiết cho một
người đi bộ để điều khiển. Ngồi ra, trong q trình phát triển đề tài còn mắc nhiều
hạn chế về tốc độ di chuyển giữa tính tốn và thực tế.
Qua đề tài nghiên cứu nhóm em đã đưa ra một góc nhìn mới đối với ngành cơng
nghiệp ơ tơ Việt Nam. Đề tài không phải chỉ nằm trong lĩnh vực ô tơ mà cịn liên quan
đến nhiều lĩnh vực khác.

2


DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 The Walkcar
Hình 1.2 The Boosted
Hình 1.3 The Icarbot
Hình 1.4 The AirWheel
Hình 1.5 The SoloWheel
Hình 1.6 The EcoBoomer
Hình 3.1 Động cơ đặt trước, cầu sau chủ động
Hình 3.2 Trường hợp bánh xe lăn khơng trượt
Hình 3.3 Sơ đồ lực và moment tác dụng lên ô tô khi tăng tốc trên đường nằm ngang,
khơng kéo theo rơ-mốc
Hình 3.4 Sơ đồ điều khiển cơ bản trên xe
Hình 4.1 Mơ hình xe walkcar
Hình 4.2 Động cơ planet 60W

Hình 4.3 Bộ bánh răng bên trong
Hình 4.4 Cấu tạo bên trong hộp số Planet
Hình 4.5 Các loại cơng tắc hành trình
Hình 4.6 Sơ đồ nối dây
Hình 4.6 Những người sáng tạo ra Arduino
Hình 4.7 Cơng tắc hành trình kiểu nút nhấn
Hình 4.8 Cơng tắc hành trình kiểu tế vi
Hình 4.9 Cơng tắc hành trình kiểu địn
Hình 4.10 Mạch giảm áp LM2596
Hình 4.11 Sơ đồ khối nối dây động cơ
Hình 4.12 Những người sáng tạo ra arduino
Hình 4.13 Máy in 3D Makerbot điều khiển bằng arduino Mega 2560
Hình 4.14 Robot tránh vật cản di động tránh vật cản dùng Arduino nano
Hình 4.15 Thiết bị bay khơng người lái UAV
Hình 4.16 Board Arduino Nano
3


Hình 4.17 Board arduino đơn giản với Atmega328
Hình 4.18 Sơ đồ chân ATmega8A
Hình 4.19 Độ rộng xung PWM
Hình 4.20 Nguyên lí điều chỉnh xung
Hình 4.21 Mạch tín hiệu
Hình 4.22 Mạch cầu H
Hình 4.23 Khối cách ly bằng OPTO
Hình 4.24 Deadtime1.5 micro giây trùng dẫn
Hình 4.25 Quá trình lắp và gá motor
Hình 4.26 Motor và bánh xe đã được gá lên xe
Hình 4.27 Lắp driver vào trong hộp
Hình 4.28 Mạch driver

Hình 4.29 Mạch điều khiển
Hình 4.30 Cơng tắc điều khiển
Hình 4.31 Nối dây hồn thiện
Hình 4.32 Mơ hình hồn thiện
Hình 4.33 Mơ hình hồn thiện

4


LỜI NÓI ĐẦU
Phương tiện di chuyển hiện nay rất đa dạng và có nhiều mẫu mã nhưng đối với
phương tiện di chuyển cá nhân cho người đi bộ thì cịn hạn chế. Đồ án phương tiện di
chuyển cá nhân cho người đi bộ là xây dựng một mơ hình thử nghiệm xe điện dựa trên
xe điện cân bằng. Ý tưởng của đề tài xuất phát từ hai vấn đề cần giải quyết hiện nay.
Đầu tiên chính là giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường, tắc đường. Hiện tượng tắc
đường và biến đổi khí hậu hiện nay đang là vấn đề cấp bách hàng đầu ở nước ta. Theo
các cuộc điều tra, ơ nhiễm mơi trường do tình trạng tắc đường, khí thải của các loại
phương tiện di chuyển giao thơng là tác nhân chính gây ra ơ nhiễm khơng khí ở Việt
Nam. Vì thế việc sử dụng và chế tạo phương tiện sử dụng năng lượng “sạch” đang trở
thành một xu hướng thiết yếu trên toàn thế giới. Mục tiêu thứ hai, đất nước ngày càng
phát triển thì vui chơi giải trí trở thành một nhu cầu thiết yếu của cuộc sống. Phương
tiện di chuyển cá nhân cho người đi bộ sẽ đáp ứng nhu cầu về di chuyển trong các
trong tâm thương mại lớn, trong các tuyến đường đi bộ. Đề tài phương tiện di chuyển
cá nhân cho người đi bộ nếu chế tạo thành công sẽ trở thành một cơng cụ giải trí đầy
thú vị cho mọi người.
Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS. Nguyễn Bá
Hải, nhóm em đã bắt tay vào triển khai đề tài “Nghiên cứu và phát triển phƣơng tiện
di chuyển cá nhân”. Những định hướng quý báu của thầy TS. Nguyễn Bá Hải đã hổ
trợ rất nhiều cho chúng em trong suốt quá trình thực hiện đồ án. Do còn nhiều hạn chế
về kiến thức, cũng như kinh nghiệm thực tế trong quá trình thực hiện. Đồ án chắc chắn

khơng tránh khỏi những thiếu sót nhỏ. Vì thế nhóm em kính mong nhận được những
lời nhận xét, đánh giá và góp ý của quý thầy cơ để nhóm em khắc phục và hồn thiện
tạo ra sản phẩm hoàn thiện hơn.

5


CHƢƠNG 01
TỔNG QUAN VỀ PHƢƠNG TIỆN DI CHUYỂN CÁ NHÂN
1.1 GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI
Đồ án xuất phát từ bình luận của Huyền thoại Steve Jobs về các dòng xe điện di
chuyển cho cá nhân này rằng: "Dự án này có ý nghĩa lớn giống như sự ra đời của PC".
Nói một cách khái quát các phương tiện di chuyển cá nhân hiện nay đang có xu thế lớn
đi kèm với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và nhu cầu đi lại thiết yếu của con
người trên các tuyến đường đi bộ và các trung tâm thương mại.
Một phương tiện di chuyển cá nhân cho phép người dùng dễ dàng hơn trong
việc đi làm, có thêm những giây phút giải trí bằng cách làm chủ và lái trên hai hay ba
và bốn bánh của chúng. Nạp điện cho nó vào ban đêm hoặc trong ngày và rồi chúng ta
có thể sẵn sàng cho những bước di chuyển. Những người đi mua sắm, nhân viên công
viên hay người lao động trong các nhà kho có thể hưởng lợi rất nhiều từ việc quãng
đường sẽ trở lên ngắn hơn so với việc đi bộ. Do vậy, chúng ta sẽ tìm cách kết hợp các
cảm biến riêng lẻ với giá thành thấp và xử lí tín hiệu cảm biến của chúng ta để có được
một phương tiện cá nhân chính xác như mong muốn với giá thành khơng cao.
Mơ hình là một chiếc xe gồm bốn bánh được gắn trên sàn xe được làm từ sắt.
Phía trên là một sàn inox để cho người điều khiển đứng lên. Trên mơ hình sử dụng hai
Smart Driver PID để điều khiển hai động cơ. Ngoài ra để điều chỉnh tốc độ động cơ
theo ý của mình ta dùng hai biến trở để điều khiển thông qua board mạch Arduino
Nano.
Để điều khiển xe, người điều khiển chỉ cần ấn hai cơng tắc hành trình. Các tín
hiệu từ cơng tác hành trình sẽ được hệ thống board mạch điều khiển trung tâm xử lí,

thơng qua phương pháp điều khiển xung PWM để đưa ra tín hiệu cho hai Driver để
điều khiển hai động cơ. Nói cách khác, từ các tín hiệu đo, thơng qua một số đại lượng
đặc trưng của mơ hình như: khối lượng người lái, khối lượng bánh xe, chiều cao
khung xe, đường kính bánh…Ta sẽ tính được momen cần thiết, từ đó đưa ra giá trị
điều khiển phù hợp cho bánh xe để giữ cho mơ hình ln di chuyển với một vận tốc ổn
định.
Hệ thống mơ hình được điều khiển bằng một Arduino Nano R3. Đây là bộ điều

6


khiển động cơ đơn giản có thể xử lí và thực thi chương trình ở tốc độ cao trong việc
tính các giá trị đầu vào của cảm biến và đưa ra các tín hiệu đầu ra điều khiển cho mạch
động cơ đơn giản nhất.
Đây là một phương tiện giải trí mới của tương lai. Nó cho phép người dùng
hồn thành cơng việc của mình hay trong lúc giải trí mà không tiêu tốn quá nhiều năng
lượng. Phương tiện đi chuyển cá nhân bằng điện với nhiều ưu điểm: gọn, nhẹ, dễ di
chuyển trong đường phố, dễ mang vác hay bỏ trong túi xách, dễ dàng sử dụng cho
người lớn và cho trẻ nhỏ.
1.2. KHÁI QUÁT VỀ PHƢƠNG TIỆN DI CHUYỂN CÁ NHÂN [3]
Nói chung, điều cần chú ý ở một phương tiện cá nhân là dựa trên các đặc điểm
như số lượng bánh xe, loại pin, tốc độ tối đa, trọng tải tối đa, thời gian sạc điện,… Về
thiết kế, có thể nói phương tiện di chuyển cá nhân rất đa dạng về mẫu mã. Một vài cái
thích hợp cho việc sử dụng trên làn đường trong khi một vài cái khác có thể đi qua
những địa hình gồ ghề hơn. Điều ta cần có để sử dụng một phương tiện cá nhân là ở kỹ
năng. Cũng như vậy, số lượng và kiểu loại bánh xe cũng là một điều cân nhắc quan
trọng. Trọng lượng của phương tiện di chuyển cá nhân có thể mang đi cũng khác nhau.
Bên cạnh việc hiểu biết về quãng đường có thể di chuyển giữa mỗi lần sạc điện, tốc độ
phản ánh thời gian mà ta cần để đến được mốc cần đến.
a) Số lƣợng bánh xe

Số lượng bánh xe của các phương tiện cá nhân khác nhau và thường một đến
bốn bánh. Kích cỡ của bánh xe cũng rất khác nhau, bánh xe lớn hơn cho phép chiếc xe
đi cân bằng hơn. Một số bánh tỏ ra rất hiệu quả khi đi trên làn đường, trong khi một số
khác cho phép ta di chuyển ngồi trời vượt qua những địa hình gồ ghế. Bánh xe trên
một số mẫu có một vỏ bọc ngồi để giải quyết vấn đề này. Nhưng đây không phải là
tính năng có thể được tìm thấy trong tất cả các phương tiện di chuyển cá nhân.
b) Loại pin
Loại pin mà phương tiện di chuyển cá nhân sử dụng, và số thời gian cần để sạc
đầy đều có thể ảnh hưởng đến lựa chọn của ta. Kiểm tra độ dài của thời gian, và quãng
đường ta có thể di chuyển mà không phải nạp điện tiếp là một câu hỏi quan trọng.
Kích cỡ và trọng lượng của pin cũng rất cần lưu ý. Nếu ta có kế hoạch di chuyển trên
7


phương tiện cá nhân đến một địa điểm đặc biệt để sử dụng hoặc có thể cất giữ khi
khơng cịn sử dụng nữa, trọng lượng tổng thể cũng là một vấn đề.
c) Tốc độ tối đa
Tốc độ là một mối quan tâm đặc biệt đối với những người sử dụng nó để có thể
di chuyển từ một địa điểm này đến một chỗ khác nhanh nhất có thể nếu so với việc di
chuyển bằng chân. Nhìn chung, tốc độ của phương tiện di chuyển cá nhân khoảng từ 9
đến 10km. Kể từ khi tốc độ tối đa thay đổi giữa các xe điện cá nhân khác nhau, việc
xem xét điều này khi mua trở lên là một điều cần thiết.
d) Trọng tải tối đa
Tổng trọng lượng mà phương tiện cá nhân có thể mang theo khác nhau ở mỗi
loại. Vận chuyển ở mức quá tải có thể ảnh hưởng tiêu cực đến q trình tiêu hao năng
lượng. Để an tồn và hiệu quả, người sản xuất cung cấp các tải trọng đề nghị cho xe
của mỗi công ty.
e) Thời gian sạc điện
Quãng thời gian cần có để sạc đầy pin tạo ra sự khác biệt cho mọi người, đặc
biệt những ai cần sạc nhanh hơn. Đợi chờ giữa những lần sử dụng có thể khơng phù

hợp với lịch trình của ta. Thêm nữa, khoảng cách phương tiện có thể di chuyển giữa
các lần sạc là một điều cần thiết để cân nhắc.
Các phương tiện cá nhân có thể kể đến như: AirWheel, Boosted, Icarbot, Walkcar,
SoloWheel, The EcoBoomer

Hình 1.1 The Walkcar

Hình 1.2 Boosted

8


Hình 1.3 The Icarbot

Hình 1.5 The SoloWheel

Hình 1.4 AirWheel

Hình 1.6 The EcoBoomer

1.2 CƠ SỞ CHẾ TẠO XE WALKCAR [2]
Walkcar – xe điện nhỏ nhất thế giới, là đứa con của kỹ sư người Nhật Bản tên
là Kuniako Saito. Năm 2015, cơng ty Nhật Bản Cocoa Motors đã trình làng cơng nghệ
trong nước, một thiết bị đồ chơi thơng minh có tên là Walkcar – xe điện với kích thước
rất nhỏ, chỉ bằng 1 chiếc máy tính bảng, và có trọng lựơng là 3 kg. Ngay từ khi ra mắt,
giới trẻ Nhật đã nô nức và để sở hữu được sản phẩm tuyệt vời này.

9

Hình 1.7 Xe Walkcar
Ngun lí hoạt động của xe rất đơn giản, gần giống với cách thức di chuyển của
con người. Thông thường người cân bằng là do trọng tâm nằm trong mặt chân đế tức
là bàn chân, khi người hơi nghiêng về phía trước thì theo phản xạ sẽ bước chân lên
phía trước để trọng tâm lại nằm trong mặt chân đế. Cịn khi nghiêng người về phía sau
thì ta cần phải lùi về sau thì mới cân bằng trở lại được. Đó là cách thức di chuyển mà
con người cảm thấy thoải mái nhất. Cũng gần như thế, đối với một chiếc xe một bánh
tự cân bằng, nếu người nghiêng về phía trước, xe sẽ chạy tới trước và khi người được
đẩy nghiêng ra sau, xe sẽ chạy lùi, để thẳng đứng xe sẽ đứng yên tại chỗ.
1.4 ƢU ĐIỂM VÀ NHƢỢC ĐIỂM CỦA XE WALKCAR
1.4.1 Ƣu điểm
- Khơng ơ nhiễm, sử dụng bình điện, và có thể sạc điện.
- Sử dụng không gian hiệu quả, đa năng có thể sử dụng trong nhà và ngồi phố.
- Khá dễ để lái vòng quanh trong văn phòng, chạy ngang qua cửa ra vào và do tốc độ
thấp, di chuyển trong cơng viên.
- Chiếm ít diện tích chỉ bằng một đứa trẻ nên nó khơng gây tắc nghẽn giao thơng.
- Cuốn hút người sử dụng cũng như mọi người xung quanh vì hình dáng kì lạ của nó,
phá vỡ các hình ảnh thường thấy về các phương tiện giao thơng của con người.
- Có thể làm việc khác trên xe khi điều khiển, chẳng hạn vừa đi vừa nghe điện thoại,
hoặc vừa uống nước.
- Xe một bánh là một sự lựa chọn thú vị cho những người yêu thích sự khác biệt,
những bạn trẻ cá tính.
10


1.4.2 Nhƣợc điểm
- Cảm thấy hơi mệt mỏi khi phải ngồi lái mà khơng có ghế tựa lưng.
- Xe khơng đủ nhanh để đi trên đường trường và không đủ an toàn để lên xuống lề
đường.
- Chỉ vận chuyển một người trên một xe.

1.5 NHU CẦU THỊ TRƢỜNG HIỆN NAY
- Có thể nói, phương tiện di chuyển cá nhân theo kiểu walkcar sẽ là phương tiện di
chuyển hoàn toàn mới. Nó khơng giống như ơ tơ, xe máy, muốn thay đổi tốc độ phải
có tay ga hoặc chân ga, ngồi ra trên ơ tơ hay xe máy phải có một hệ thống phanh
phức tạp. Ngược lại phương tiện di chuyển theo phương cách Walkcar vừa di chuyển
đơn giản muốn thay đổi tốc độ chỉ cần sử dụng hai công tắc ở dưới chân.
Về nhu cầu thị trường hiện nay có thể nói rất lớn.
- Xe điện theo kiểu walkcar sẽ là phương tiện di chuyển rất mới và hiện đại tại các
thành phố phát triển.
- Là phương tiện di chuyển trong trong khu vực chật hẹp có thể di chuyển ngay trong
khu dân cư, tịa nhà cao tầng, khn viên trường học.
- Là phương tiện hữu ích cho người già hay trẻ em.
- Dùng trong cơng nghiệp giải trí, đi lại trong các khu tham quan du lịch.
Theo như công ty Cocoa Motors sẽ mở cửa bán cho những người muốn đặt hàng lấy
xe WalkCar vào tháng 10 năm 2015. Nó có giá dự kiến là 800 USD.

11


CHƢƠNG 02
NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU ĐỒ ÁN
2.1 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
Mục tiêu đề tài là xây dựng một thiết bị di chuyển thơng minh trên địa hình
phẳng dựa trên các kiến thức đã học như lí thiết ơ tơ, thiết kế ô tô, dao động tiếng ồn.
phương tiện di chuyển cá nhân bằng điện theo kiểu Walkcar vừa có ưu điểm của xe tự
cân bằng như có thể di chuyển hiệu quả và linh hoạt trong điều kiện không gian chật
hẹp. Với khoảng thời gian 15 tuần nghiên cứu và phát triển đồ án, nhóm chúng em đã
đạt ra những mục tiêu cần thực hiện như sau:
- Tìm hiểu về lí thuyết động lực học, về các phương pháp tính tốn lực.
- Tính tốn các số liệu cần thiết cho q trình thực hiện mơ hình như cơng suất động

cơ, hiệu suất, thời gian di chuyển của xe.
- Tìm hiểu về các cảm biến trọng lượng, bộ driver điều khiển động cơ, bộ điều khiển
trung tâm Arduino Nano.
- Xây dựng mơ phỏng cơ khí trên các chương trình ứng dụng solidworks, autocard.
- Thiết kế bản vẽ, chế tạo mơ hình theo các thơng số kích thước thực, có khả năng chịu
tải trọng được một người trưởng thành.
- Thiết kế mạch điện, các chương trình điều khiển trung tâm.
- Lập trình điều khiển xe.
2.2 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.2.1 Xây dựng mô hình lí thuyết
- Nghiên cứu các mơ hình thực tế tương tự đã có của các anh chị đi trước.
- Tìm hiểu qua sách vở, internet về mơ hình.
- Mơ phỏng mơ hình.
2.2.2 Xây dựng mơ hình thực tế
- Thiết kế khung sườn cơ khí của mơ hình.
- Tính tốn công suất, chọn động cơ điện phù hợp.
- Thiết kế mạch điều khiển xoay xe.
- Bộ điều khiển trung tâm.
- Lập trình điều khiển xe.
12


CHƢƠNG 03
MƠ HÌNH HĨA VÀ ĐIỀU KHIỂN XE
3.1 LÍ THUYẾT TÍNH TỐN ĐỘNG LỰC HỌC [1]
Về phương pháp tính tốn động lực học ta dựa vào sự truyền năng lượng và
biến đồi năng lượng trong hệ thống truyền lực. Quá trình truyền năng lượng từ động
cơ đến khung xe thơng qua hệ thống truyền lực và hệ thống chuyển động sẽ xuất hiện
các hiện tượng sau:
- Thay đổi vận tốc.

- Một phần năng lượng truyền đi sẽ bị tiêu hao.
- Tích lũy năng lượng ở dạng động năng và ở dạng thế năng do tính đàn hồi.
Chúng ta khảo sát quá trình truyền năng lượng với các giả thuyết sau.
- Trường hợp truyền động đến nhiều bánh chủ động thì giả thiết là sự truyền năng
lượng tới các bánh riêng biệt sẽ là như nhau, tức là đã coi chỉ có một đường truyền
năng lượng từ động cơ tới khung xe.
- Khơng để ý đến q trình chuyển tiếp của các bộ truyền.
- Các đặc tính của động cơ và hệ thống truyền lực sẽ giữ nguyên khi chuyển động ổn
định và không ổn định.
- Khi chuyển động đều, giả thiết là khơng xảy ra tích lũy năng lượng trong hệ, nghĩa
là các phần tử trong hệ được coi là khơng có khối lượng và cứng tuyệt đối.
Ở đây chúng ta chỉ xét quá trình truyền năng lượng khi xe chuyển động ổn định.
Ở ô tô năng lượng được truyền từ động cơ đến các bánh xe chủ động thông qua hệ
thống truyền lực. Quá trình truyền và biến đổi năng lượng được đặc trưng bởi các
thành phần của công suất đầu vào Pe và công suất đầu ra Pk nghĩa là bởi vận tốc góc và
moment tương ứng: Pe=Me. e và Pk=Mk. k .

13


3.1.1. Cơ sở lý thuyết lực kéo động cơ ô tơ
Trong chương này ta chọn bố trí hệ thống truyền lực: động cơ đặt trước, cầu sau
chủ động được mô tả như sơ đồ sau. Xe chuyển động trên mặt đường khơng kể đến
khối lượng và biến dạng của nó.

Hình 3.1: Động cơ đặt trước, cầu sau chủ động
Một động cơ có:
 Cơng suất có ích của động cơ Pe (kW).
 Số vòng quay của trục khuỷu ne (vòng/phút).
 Moment xoắn của động cơ Me (kN.m).

Mối quan hệ giữa các đại lượng: Me =

.

Quá trình truyền moment xoắn từ động cơ Me đến các bánh xe chủ động Mk cũng như
tạo ra lực kéo Fk đến các bánh xe chủ động đều được khuếch đại, mối quan hệ sau:
Fk =

=

=

Trong đó :
Fk: Lực kéo đặt tại các bánh xe chủ động.
Mk: Moment kéo tại các bánh xe chủ động.
Me: Moment xoắn của động cơ.
it: Tỷ số truyền của hệ thống truyền lực, được dùng trong truyền động có cấp.
i h :Tỷ số truyền hộp số.
ip: Tỷ số truyền của hộp số phụ.
14


io: Tỷ số truyền của truyền lực chính.
ic: Tỷ số truyền của truyền lực cuối cùng.
: Hiệu suất của hệ thống truyền lực.
Để tính tốn các thơng số cần thiết cho mơ hình cần thiết kế ta dựa vào động
học lăn của bánh xe không biến dạng và hệ số bám mặt đường. Hệ thống chuyển động
là cụm truyền động giữa bánh xe với mặt đường. Chúng được coi là cụm biến đổi bậc
không, nghĩa là ta không để ý đến khối lượng và biến dạng của nó. Cơng suất của bánh
xe chủ động được thể hiện qua Mk và b. Nhờ có Mk tại bánh xe chủ động và nhờ sự

tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường nên đã phát sinh phản lực Fk từ mặt đường tác
dụng lên bánh xe hướng theo chiều chuyển động của xe. Phản lực này chính là lực kéo
tiếp tuyến của bánh xe chủ động.
Như vậy hệ thống chuyển động đã biến đổi chuyển động quay của bánh xe
thành chuyển động tịnh tiến của xe. Tức là biến đổi môment Mk và vận tốc góc b trên
trục bánh xe thành lực kéo Fk của bánh xe và vận tốc tịnh tiến V.
Quan hệ giữa các thông số vừa nêu được thể hiện:
FK =
V = rb

=>

=

a) Động học lăn của bánh xe

Hình 3.2 Trường hợp bánh xe lăn không trượt
Trong trường hợp này, tốc độ của tâm bánh bằng với tốc độ vòng. Nghĩa là tốc
độ thực tế V bằng tốc độ lý thuyết VO.
Ta có: V Vo . r

15


Do vậy, tâm quay tức thời của bánh xe nằm trên vịng bánh xe và bán kính lăn
bằng bán kính tính tóan:
rl = rb
Trạng thái này chỉ có được ở bánh xe bị động với Mp = 0, lúc đó v 0
Quan hệ với công suất.
Pk=Pe.ηtl = Fk.VO

Điều kiện để ô tô có thể chuyển động được là ở các bánh xe chủ động phải có
moment xoắn chủ động truyền đến và tại bề mặt tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường
phải có độ bám nhất định. Cơng suất của động cơ P=FK.V.
b) Dựa vào hệ số bám
Độ bám giữa bánh xe với mặt đường được đặc trưng bởi hệ số bám. Tùy theo
chiều của phản lực mặt đường tác dụng lên bánh xe mà hệ số bám sẽ có tên gọi khác
nhau. Nếu xét khả năng bám theo chiều dọc thì hệ số bám được gọi là hệ số bám dọc
x và được định nghĩa như sau:

x=

Với: Fkmax là Lực kéo tiếp tuyến cực đại giữa bánh xe với mặt đường. Gb là tải trọng
thẳng đứng tác dụng lên bánh xe.
Từ định nghĩa của hệ số bám dọc, chúng ta có thể xác định được lực kéo tiếp
tuyến cực đại phát sinh theo điều kiện bám giữa bánh xe chủ động với mặt đường như
sau. Fkmaxx.Gb.
Nếu gọi Zb là dụng lên bánh xe thì: Zb = Gb.
Lúc đó lực bám dọc Fx được xác định như sau: Fxx.Zb.
Để cho bánh xe chủ động khơng bị trượt quay thì lực kéo tiếp tuyến cực đại ở bánh xe
đó phải nhỏ hơn hoặc bằng lực bám dọc giữa bánh xe với mặt đường.
Fkmax  Fx

16


3.1.2 Cơ sở lý thuyết các đặc tính tăng tốc của ơ tơ
Chúng ta xét một ơ tơ có khối lượng m, diện tích cản gió là S, hệ số cản khơng
khí là Cx, xe chuyển động trên mặt phẳng nằm ngang, khơng kéo theo rờ-móc, hệ số
cản lăn là f, ô tô chịu lực kéo tại các bánh xe chủ động là F k. Bài toán được đặt ra ở
mục này là xác định chuyển động của ô tô đó, nghĩa là: xác định biến thiên gia tốc, tốc

độ và quãng đường theo thời gian.

Hình 3.3 Sơ đồ lực và moment tác dụng lên ô tô khi tăng tốc trên đường nằm ngang
không kéo theo rơ-mốc
Xác định biến thiên của gia tốc
Ta có phương trình cân bằng lực kéo
Fk  Ff  F

 Fj  Fj  Fk  Ff  F

Suy ra j =
Trong đó:
It: Là tỷ số truyền của hệ thống truyền lực ở các tay số.
Me: Moment xoắn động cơ được xác định từ đường đặc tính ngồi của động cơ.
Hiệu suất của động cơ.
G: Trọng lượng tồn bộ của xe ơ tơ.
F: Hệ số cản lăn của mặt đường.
W: nhân tố cản khơng khí.
V: vận tốc ban đầu của xe.

17


Xác định thời gian tăng tốc và biến thiên tốc độ của ô tô
Để xác định biến thiên của tốc độ ô tô theo thời gian V(t) chúng ta dựa trên cơ sở phân
tích sau.
t= t2-t1∫



Xác định quãng đƣờng tăng tốc của ô tô
Nhằm xác định biến thiên của quãng đường s theo thời gian hay tốc độ theo quãng
đường, chúng ta thực hiện.
V=

 ds =v dt s  s2  s1 ∫



3.2 PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN XE

Hình 3.4 : sơ đồ điều khiển cơ bản trên xe
Về phương pháp điều khiển trên xe, ta có thể sử dụng nhiều cách. Để điều khiển
xe một cách đơn giản nhất ta sử dụng hai driver được điều khiển bằng mosfet để điều
chỉnh hai động cơ planet hai bên. Phần điều khiển trung tâm ta sử dụng một Arduino
nano. Arduino Nano được điều khiển bằng phương pháp điều khiển xung PWM, tín
hiệu được truyền bằng cơng tắc hành trình. Để điều khiển xe, người điều khiển chỉ cần
đứng xe và điều khiển hai cơng tắc hành trình hai bên. Hai cơng tắc hàng trình hai bên
có tác dụng tăng tốc độ xe đến một giá trị nhất định. Để tăng và giảm tốc độ động cơ ta
dùng hai biến trở được gắn riêng lẻ bên ngồi để điều khiển thơng qua hai giác nối.

18


CHƢƠNG 04
TRIỂN KHAI THIẾT KẾ MƠ HÌNH
4.1 TÍNH TỐN THIẾT KẾ CƠ KHÍ
4.1.1 Các thơng số kĩ thuật của mơ hình
- Tổng trọng lượng người sử dụng mơ hình: từ 50kg đến 80kg.
- Hai motor planet: motor 60W, tổng trọng lượng tối đa 2kg.

- Pin LiPo: 24V, trọng lượng 0,8kg.
- Bánh xe: 2 bánh đa hướng (bị động), chiều cao 60mm. 2 bánh su dẫn động đường
kính 50m, chiều dài dài 60mm. Trọng lượng 4 bánh 0,8kg.
- Sàn xe gắn liền với động cơ (sàn dưới): bằng sắt dày 2mm, nặng 2,5kg.
- Dùng 2 cặp bánh răng: số răng bánh lớn: 17, số răng bánh nhỏ: 13, số mắc xích: 38.
- Sàn xe để dúng lên, gá lên trên sàn dưới (sàn trên): Bằng inox dày 2mm, nặng 1,4kg.
- Điều khiển bằng tay có dây dài 1m.
- Ốc vít: tổng trọng lượng tối đa 1,5 kg.
- Phần điện tử: sử dụng mạch Arduino điều khiển.
- Hộp đựng bộ điều khiển 0,3 kg.
- Bộ mạch điều khiển, các cảm biến: trọng lượng tối đa 1,5kg.

Hình 4.1 Mơ hình xe walkcar

19


4.1.2 Tóm tắt thiết kế
Về đề tài, xe có cấu trúc giống như xe walkcar. Xe gồm bốn phần: khung xe gồm sàn
trên là inox và sàn dưới là sắt, hai động cơ, bốn bán xe và hộp điều khiển. Sàn dưới
được làm bằng sắt dày 2mm vững chắc, có kích thước 350 X 320 X 235 (mm). Sàn
trên được làm bằng inox dày 2mm vững chắc, có kích thước là 360 X 330 X 245
(mm). Bốn bánh xe với hai bánh dẫn động là bánh su có đường kính Ø50, 2 bánh sau
đa hướng bị động có chiều cao 60mm. Hai động cơ Planet được đặt trên hai gối đỡ.
Hộp điều khiển được in 3D với kích thước 126 X 78 X 45. Cấu trúc cơ khí được mơ tả
chi tiết trên phần mềm solidworks nhằm mô phỏng đúng nhất về mơ hình.
4.1.3 Tính tốn sức bền
Vì sàn xe bằng inox chịu lực trực tiếp từ người sử dụng, ta trước hết sẽ ước lượng bằng
một thanh inox như vậy xem có chịu được mơ hình hay khơng, nếu được ta sẽ khơng
cần tính cụ thể đến miếng sắt vì mơ hình đã dư bền. Để nhanh chóng và hiệu quả ta sử

dụng phần mềm RDM6 để tính tốn.
4.1.4 Tính tốn chọn động cơ và loại pin cần sử dụng
a) Chọn loại động cơ
Chọn tải: 80kg  trọng lượng toàn bộ z=800N
Vận tốc xe mong muốn đạt được Vmax =10km/h =
Ta có P

m/s

FK.

Lực tác dụng xuống bánh xe sẽ phân ra 2 cầu trước chủ động chịu tải
Z1 bánh =400(N)
Theo điều kiện bám trên đường để bánh xe không bị trượt quay
FKmax FφX
(lực kéo tiếp tuyến cực đại ở bánh xe phải nhỏ hơn hoặc bằng lực bám dọc)
Điều kiện di chuyển của xe trên mặt đường khô, bê tông khô chọn hệ số bám φ=0.8
=> FKmax

FφX = φ

Z1=0.8

400 = 320(N)

Khi động cơ đặt ở cầu trước sẽ chiếm 60% phản lực, đặt ở cầu sau sẽ chiếm 40%
=> FKmax=320.0.6 =192 (N)
Vậy để động cơ hoạt động với công suất nhỏ nhất sẽ là:
20

=>Pmin

FKmax V =192

= 533,3 ( w)

Công suất động cơ lớn nên phải thiết kế hộp giảm tốc để công suất giảm xuống phù
hợp với thời gian xe chạy với nguồn năng lượng sẵn có.
Động cơ Planet với bộ giảm tốc hành tinh có tỉ số tuyền là I=19,2.
Chọn động cơ là động cơ Planet: 24V - 60W
Chọn bánh xe có đường kính: d = 5cm
V= R
=>
=

=>

=

=
= 108.7rad/s

=> n=

=

=1038.5 (vịng /phút)

Chon n =1100 vịng/phút

Moment xoắn động cơ 106
=

=520 (N.mm)

b) Tính tốn thời gian sử dụng pin và công suất tiêu thụ động cơ
t=
Với:
A: dung lượng pin
V: điện áp
: hệ số sử dụng, chọn 0.6
P: hiệu suất động cơ
Pin sử dụng ta có:
A=2.2 Ah
V=24 V
t=

= 0.53 (h)

Cơng suất tiêu thụ:
A=P t= 60

=31.8 Wh

21


4.2 TRIỂN KHAI VỀ PHẦN CỨNG
4.2.1 Động cơ Planet 24 V [6]
Động cơ với cơng suất 60W, tốc độ vịng quay đầu ra 468 vịng/phút, tỉ số truyền 19.2

Hình 4.2 Động cơ planet 60 W

Hình 4.3 Bộ bánh răng bên trong

Cấu tạo trong của hộp số

Hình 4.4 Cấu tạo bên trong hộp số Planet

4.22 Cơng tắc hành trình
a) Giới thiệu về cơng tắc hành trình [7]
Cơng tắc hành trình cịn được gọi là công tắc điểm cuối trước hết là một loại cơng tắc.
Tức là có chức năng đóng mở, được đặt tại một vị trí nhất định nào đó trên đường hoạt
động của một dòng điện hay một động cơ nào đó mà đến vị trí của cơng tắc sẽ có sự
thay đổi xảy ra. Có thể tắt, có thể chuyển hướng, có thể quay và có thể chuyển hóa
được từ động cơ thành tín hiệu. Như vậy khái qt lại cơng tắc hành trình là thiết bị
dùng để giới hạn hành trình của các bộ phận chuyển động khác.

22


Hình 4.5 Các loại cơng tắc hành trình
Cơng tắc hành trình khác với cơng tắc thơng thường đó là khơng duy trì được trạng
thái cố định tức là nếu khơng có tác động nữa thì cơng tắc sẽ trở về trạng thái ban đầu.
Có thể lấy ví dụ đơn giản cho các bạn có thể hình dung đó là cơng tắc hành trình trong
các tủ lanh, khi mở cửa ra đèn sáng, khi đóng cánh tủ lại thì đèn tắt.
Có nhiều chủng loại cơng tắc hành trình tùy theo ứng dụng riêng biệt có thể phù
hợp với từng ứng dụng về kích thước, chức năng, và mơi trường hoạt động. Hiện nay
trên thị trường có rất nhiều hãng sản xuất cơng tắc hành trình. Tuy nhiên, trên thị
trường Việt Nam phổ biến 2 hãng cơng tắc hành trình là: Omron, Hanyoung

Cách đấu dây và sơ đồ cơng tắc hành trình.

Hình 4.6 Sơ đồ nối dây
Ngun lý cơng tắc hành trình:
Dùng để đóng cắt mạch dùng ở lưới điện hạ áp. Nó có tác dụng giống như nút ấn động
23