ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
MAI THỊ THU HÀ
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM
MÔ HÌNH XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG
Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
Mã số: 60520103
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
THÁI NGUYÊN, 2014
Công trình được hoàn thành tại:
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP – ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
Người hướng dẫn khoa học:
PGS.TS. Nguyễn Văn Dự
Phản biện 1: GS.TSKH. Phạm Văn Lai
Phản biện 2: PGS.TS. Nguyễn Văn Tuấn
Luận văn này được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn
Họp tại:
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN
Vào hồi 9 giờ 30, ngày20 tháng 4 năm 2014
Có thể tìm hiểu luận văn tại
- Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên
- Thư viện trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp
1
Chương 1
GIỚI THIỆU
¬
Chương này giới thiệu các cơ sở lý luận và tính cấp thiết để
thực hiện đề tài nghiên cứu, các mục tiêu và tóm tắt các kết quả đã
đạt được. Phần 1.1 trình bày về vấn đề nghiên cứu cũng như tính
cấp thiết của đề tài. Các thông tin tổng quan về các kết quả nghiên
cứu gần đây trên thế giới về xe tự cân bằng được trình bày trong
phần 1.2. Phần 1.3 trình bày các mục tiêu cụ thể của nghiên cứu.
Các kết quả chính đã đạt được về cả lý thuyết và thực nghiệm được
tóm tắt trong phần 1.4. Phần cuối cùng giới thiệu cấu trúc của luận
văn.
1.1. Vấn đề nghiên cứu
Trong những năm gần đây, điều khiển cân bằng đã và đang
tiếp tục nhận được quan tâm của các nhà nghiên cứu về mặt lý thuyết
và ứng dụng triển khai. Một trong những thành tựu của các nghiên
cứu về điều khiển cân bằng dựa trên nguyên lý con quay hồi chuyển
(Gyroscope) đã được ứng dụng để phát triển các sản phẩm được
người dùng rất quan tâm, chẳng hạn như xe Gyrocar, xe Lit Motors.
Trong thực tế, có hai mô hình xe hai bánh tự cân bằng: mô
hình xe hai bánh ngang (Segway) và mô hình xe hai bánh dọc – thuật
ngữ tiếng Anh là In-line wheels (dạng xe đạp, xe máy thông thường).
Hai loại này có yêu cầu và nguyên tắc tự cân bằng khác nhau.
Đối với xe hai bánh ngang, momen gây lật xe nằm trong mặt
phẳng chuyển động (xem thêm hình 1.2b). Nói cách khác mặt phẳng
cân bằng của xe trùng với mặt phẳng thẳng đứng. Tuy nhiên, với xe
hai bánh dọc (xem hình 1.1b), momen gây lật xe lại nằm trong mặt
phẳng vuông góc với mặt đứng. Nói cách khác, mặt phẳng cân bằng
của xe không trùng mặt phẳng đứng. Chính vì vậy, nguyên tắc đảm
bảo điều kiện tự cân bằng cho hai loại xe này là hoàn toàn khác nhau.
2
Có thể nhận thấy, việc tạo ra lực/momen từ bên ngoài tác
động lên xe trong mặt phẳng lật là rất khó khả thi. Thực tế chỉ có thể
tạo ra lực/momen trong mặt phẳng thẳng đứng. Một phương án khả
dĩ là chuyển đổi momen tác động trong mặt phẳng thẳng đứng thành
momen trong mặt phẳng cân bằng. Một đặc tính cơ học quan trọng
của con quay hồi chuyển (Gyroscope) là cho phép chuyển đổi
momen đáp ứng yêu cầu này.
Từ những năm 1900, Louis Brennan [1,2] đã có công trình
nghiên cứu đầu tiên về tàu một ray. Theo hướng này, Schilovski
[3,5] và Ferry [4] đã tiếp tuc nghiên cứu, phát triển và đưa ra một số
mẫu thử nghiệm các phương án cân bằng khác nhau ở cách bố trí các
trục của con quay hồi chuyển, và tốc độ quay. Tháng 9/1967 trên tạp
chí "Khoa học Công nghệ", viện bảo tàng Retro [8] đã trích dẫn
nhiều bài viết và công trình của Northridge và California về con quay
hồi chuyển. Ngoài ra, con quay hồi chuyển còn có nhiều ứng dụng
quan trọng trong việc ổn định cho phương tiện giao thông đường sắt
và giao thông đường thủy [6, 7].
Mô hình toán học của xe cân bằng dùng con quay hồi chuyển
đã được nghiên cứu lần đầu tiên trong công trình của Cousins [10],
và gần đây hơn Gallaspy [9] sử dụng phép lấy đạo hàm trong phân
tích toán học hoặc Karnopp [11] sử dụng các đồ thị quan hệ để lấy
đạo hàm.
Từ sau khi Count Perter Schilovski chế tạo thành công mô
hình xe Gyrocar đầu tiên, do chiến tranh thế giới hầu như tất cả các
tài liệu bị thất lạc, sản phẩm thì bị chôn vùi. Chính vì vậy những
nghiên cứu sâu về việc giữ cân bằng cho xe hai bánh lại đi theo
hướng điều khiển. Các kết quả nghiên cứu khai thác ưu điểm ổn định
con quay hồi chuyển cho các phương tiện được công bố trong phạm
vi rất hẹp, đặc biệt công nghệ này còn rất mới ở Việt Nam. Cho đến
3
nay, chưa có công bố khoa học nào ở trong nước nói về ứng dụng
nguyên lý con quay hồi chuyển cho xe hai bánh dọc tự cân bằng.
Đề tài “Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm mô hình xe hai bánh
tự cân bằng” được thực hiện nhằm xây dựng mô hình thực nghiệm,
phân tích các quan hệ lực, momen ảnh hưởng đến khả năng tự cân
bằng của xe. Kết quả của đề tài có thể được sử dụng làm cơ sở cho
các nghiên cứu tiếp theo về bài toán điều khiển, chế tạo thử nghiệm
xe.
1.2. Các kết quả nghiên cứu gần đây
Tại Đức, năm 1810 Nhà khoa học Johann Gottlob Frederick
Von Bohnenberger (xem Hình 1.4) [14] là người đầu tiên phát minh
ra con quay hồi chuyển.
Năm 1852 nhà khoa học người Pháp Leon Foucalt [14] đã
sử dụng con quay hồi chuyển để chứng minh Trái Đất có chuyển
động quay. Trước đó ông đã dùng con lắc để chứng minh như vậy và
ông đưa ra giả thuyết rằng con quay hồi chuyển đứng có thể được sử
dụng như la bàn.
Elmer Sperry [13-15] (xem Hình 1.4) là một trong những
nhà khoa học thành công nhất. Ông đã nhận được hơn 360 bằng sáng
chế trong cuộc đời của mình và góp phần không nhỏ cho sự phát
triển các ngành công nghiệp nhẹ. Năm 1896 ông bắt đầu tìm hiểu về
con quay hồi chuyển và đến năm 1908 ông đã được cấp bằng sáng
chế cho thiết bị tạo ổn định con quay hồi chuyển cho các thiết bị di
chuyển như tàu và máy bay.
Trong triều đại vua Edwardian, tháng 8 năm 1907, tại Lon
đon, Louis Brennan [2] đã trưng bày mô hình tàu một ray mới. Mô
hình đã kích động trí tưởng tượng của những người tham dự về
nguyên lý tự cân bằng của nó đồng thời thu hút được sự quan tâm rất
4
lớn. Sự ra đời của chiếc tàu một ray độc đáo của Brennen đã được
đăng ngay lên tất cả các tờ báo hàng đầu thế giới.
Năm 1910, tại triển lãm Nhật – Anh diễn ra tại London tàu
một ray của Brennan đã ra mắt công chúng. Tuy chiếc tàu này chỉ có
hai bánh nhưng khi tàu chưa chuyển động người ta có thể lên,
xuống tàu mà ko bị đổ.
Gyrocar là một loại xe hai bánh, nhưng khác với xe đạp và
xe máy là nó có thể giữ cân bằng nhờ con quay hồi chuyển. Một mô
hình xe Gyrocar đã đươc Count Peter Schilovski chế tạo, thử nghiệm
thành công và lấy tên là Schilovski Gyrocar [3,5].
Đầu năm 2014, tại triển lãm công nghệ CES 2014, hãng xe
Lit Motors đã cho biểu diễn một chiếc xe moto chạy điện – Lit Motor
C1 có khả năng tự cân bằng (xem Hình 1.8). C1 được gán cho thuật
ngữ “phương tiện cá nhân mới” đó là sự kết hợp hoàn hảo giữa tính
tiện nghi của ô tô và tính linh hoạt của xe máy, đủ chỗ cho hai người
và sử dụng hệ thống ổn định hồi chuyển để đứng thẳng khi không di
chuyển. Điểm nổi bật của C1 chính là khả năng tự cân bằng. Nhà sản
xuất quảng cáo rằng dù có bị một phương tiện khác đâm vào nhưng
C1 vẫn có thể đứng vững bởi xe được trang bị hệ thống tự cân bằng .
Xe có kích thước nhỏ gọn như xe máy, lại được trang bị vỏ bọc kim
loại chắc chắn và được thiết kế với mui như xe ô tô, cũng được điều
khiển bằng vô-lăng, ga và phanh thông qua bàn đạp chân.
Các kết quả trên cho thấy việc xuất hiện của xe hai bánh tự
cân bằng giúp cho người sử dụng thuận tiện và dễ dàng hơn trong
việc di chuyển, có thể giảm tắc nghẽn giao thông. Điểm đặc biệt nhất
ở xe hai bánh tự cân bằng là khả năng tự cân bằng dựa trên nguyên lý
con quay hồi chuyển, vì vậy dù địa hình có gập ghềnh ra sao, xe
cũng luôn luôn an toàn, kể cả khi bị xô ngang (va chạm) với các vật
thể/phương tiện khác. Do vậy đây là một phương tiện vận chuyển
5
mới tại các thành phố trong tương lai với nhiều ưu điểm: gọn, nhẹ, ít
chiếm diện tích đường phố, dễ điều khiển và an toàn.
1.3. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu chính của đề tài này là chủ động công nghệ nhằm
thiết kế, chế tạo và thử nghiệm mô hình có ứng dụng con quay hồi
chuyển nhằm tự giữ cân bằng cho xe hai bánh
Các mục tiêu cụ thể của đề tài là:
1. Chế tạo mô hình thử nghiệm khả năng cân bằng dùng
con quay hồi chuyển;
2. Đánh giá khả năng cân bằng khi không sử dụng các giải
thuật điều khiển;
3. Tiến hành thí nghiệm để xác định khả năng chịu được
xung va đập và quan hệ giữa momen gây lật và momen cản
lật.
1.4. Nội dung và phương pháp nghiên cứu
1.4.1. Nội dung nghiên cứu
1. Khảo sát, phân tích các nguyên tắc cân bằng nhờ con
quay hồi chuyển.
2. Thiết kế, chế tạo mô hình
3. Thực nghiệm: + Thay đổi momen
+ Đo được các giá trị lực, momen
1.4.2. Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp nghiên cứu thực
nghiệm
1.4.3. Các thiết bị thí nghiệm
1. Để thiết kế chế tạo mô hình cấn sử dụng các máy tiện,
máy phay, máy khoan, máy hàn.
2. Để khảo sát và phân tích giá trị lực và momen dùng các
thiết bị đo:
Đo lực tác dụng: Load cell.
6
Đo tốc độ động cơ: Máy đo tốc độ vòng quay.
Bộ chuyển đổi dữ liệu DAQ USB 6008.
Phần mềm xử lý dữ liệu NI-Labview Signal Express 3.0.
1.5. Các kết quả đã đạt được
1. Xác định được động năng va đập lớn nhất mà xe không
đổ. Ý tưởng xe hai bánh chịu va đập đột ngột không bị
lật đổ là có thể thực hiện được.
2. Vẽ được biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa momen gây
lật và momen hồi chuyển có tác dụng cản lật để làm cơ
sở cho việc điều khiển.
1.6. Cấu trúc luận văn
Luận văn được chia thành 5 chương với các nội dung chính
như sau.
Chương 1 trình bày các cơ sở, tính cần thiết thực hiện đề tài.
Các nghiên cứu tương tự gần đây cũng được giới thiệu tóm tắt nhằm
nêu bật các kết quả đóng góp mới.
Trong chương 2, các cơ sở lý thuyết về con quay hồi chuyển,
các mô hình của xe hai bánh dọc đã được chế tạo trong thực tế và
trong các nghiên cứu thí nghiệm trước đây cũng được trình bày cụ
thể.
Thiết kế, chế tạo mô hình thử nghiệm được trình bày chi tiết
trong chương 3. Ở đó, sơ đồ nguyên lý, mô hình lý thuyết, cấu tạo và
thiết kế xe hai bánh dọc được trình bày một cách cụ thể. Hệ thống
các thiết bị thí nghiệm sử dụng để khảo sát đặc tính động lực học của
cơ hệ cũng được mô tả.
Trong chương 4 trình bày các kết quả thực nghiệm, đánh giá
khả năng tự cân bằng của xe.
Các kết luận và đề xuất nghiên cứu tiếp theo được trình bày
trong chương 5.
7
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÂN BẰNG DÙNG
CON QUAY HỒI CHUYỂN
2.1. Giới thiệu
Chương này giới thiệu chung về cấu tạo, phân tích nguyên lý
làm việc và ứng dụng của con quay hồi chuyển. Đề xuất mô hình xe
hai bánh tự cân bằng.
Phần 2.2 tiếp theo trình bày cơ sở lý thuyết cân bằng dùng
con quay hồi chuyển. Đặc tính động lực học con quay hồi chuyển
được trình bày trong phần 2.3. Phần 2.4 trình bày các mô hình con
quay làm cơ sở đề xuất mô hình thử nghiệm khả năng tự cân bằng
của xe. Ứng dụng của con quay hồi chuyển được trình bày trong
phần 2.5. Các kết luận chính được trình bày trong phần cuối cùng,
phần 2.6.
2.2. Cơ sở lý thuyết cân bằng dùng con quay hồi chuyển
2.2.1. Con quay hồi chuyển
Con quay nói chung có hình dạng đối xứng, quay quanh một
điểm cố định và nó có thể chuyển động tự do trong không gian.
Theo định nghĩa vật lý: Con quay hồi chuyển là một thiết bị
dùng để đo đạc hoặc duy trì phương hướng, dựa trên các nguyên tắc
bảo toàn mô men động lượng. Thực chất, con quay cơ học là một
bánh xe hay đĩa quay với trục quay tự do theo mọi hướng.
Khi quay, con quay hồi chuyển có tính chất đặc biệt, con
quay giữ cho trục quay của nó thẳng đứng và chống lật. Nếu tác dụng
mô-men xoắn, hoặc một lực vào trục quay, trục sẽ không chuyển
động theo hướng mô-men xoắn mà sẽ di chuyển theo hướng vuông
góc với nó.
Trong kỹ thuật, con quay hồi chuyển thường là một bánh đà
dạng đĩa dẹt có khối lượng tập trung ngoài vành đĩa. Để truyền
8
chuyển động cho con quay, lực quay được tạo bởi trục roto của động
cơ điện xoay chiều hoặc động cơ điện một chiều có tốc độ cao.
2.2.2. Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý hoạt động của con quay hồi chuyển dựa trên
nguyên tắc bảo toàn momen động lượng. Xét một con quay có khối
lượng m, quay với vận tốc góc
quanh một trục cố định.
Hình 2.1. Nguyên lý hoạt động của con quay
Trên Hình 2.1, một con quay được gắn vào một trục quay,
một đầu của trục được đặt trên đỉnh O của một cái giá đỡ sao cho
trục này có thể quay tự do xung quanh giá đỡ.
Chọn một hệ toạ độ gốc ở O, trục Oz thẳng đứng, còn mặt
phẳng xOy nằm ngang, trục của con quay cũng nằm ngang, dọc theo
trục Ox. Giả sử con quay quanh nhanh thì nó sẽ không đổ xuống mà
cùng với cán trục quay xung quanh trục z đi qua giá đỡ. Sự quay này
của cả trục và con quay được gọi là sự tiến động. Nếu tác động một
lực F hướng xuống tại điểm A thì momen động lượng L hướng ra
theo hướng trục quay, vuông góc với lực F. Con quay sẽ quay với
vận tốc góc
và vân tốc tiến động
.
F
O
mg
A
L
2
z
y
x
9
Do vậy, nếu con quay quay chậm lại (ví dụ như ảnh hưởng
của ma sát), momen động lượng của nó sẽ giảm và dẫn đến vận tốc
tiến động tăng. Quá trình này cứ tiếp tục cho đến khi thiết bị không
thể quay đủ nhanh để chịu được sức nặng của nó, thì nó sẽ dừng lại
và rơi xuống.
2.3. Đặc tính động lực học của con quay hồi chuyển
Việc nghiên cứu chuyển động của con quay hồi chuyển cho
biết đặc tính động lực học của con quay. (Quan hệ động lực học dùng
nguyên lý con quay hồi chuyển được tham khảo từ tài liệu [20]).
Minh họa một con quay hồi chuyển đơn giản như hình 2.2
dưới đây.
Hình 2.2. Sơ đồ minh họa con quay hồi chuyển [20]
Hình 2.2 là một con quay hồi chuyển đơn giản gồm một con
quay (có dạng hình đĩa dẹt) gắn vào một cái cán làm trục quay của
z
y
F
o
L
o
P
G
1
Con quay
L
cq
O
l
x
10
con quay. Đầu O của trục được đặt trên đỉnh của một cái giá đỡ sao
cho trục này có thể quay tự do xung quanh giá đỡ.
Nếu con quay không quay thì khi buông ra, dưới tác dụng của
momen ngoại lực con quay sẽ rơi xuống. Còn nếu con quay quay nhanh
thì con quay không đổ xuống mà cùng với cán trục quay xung quanh
trục thẳng đứng đi qua giá đỡ. Khi đó con quay (có bán kính r) quay với
vận tốc quay riêng là
, nó chuyển động quanh gốc O với vận tốc tiến
động là
(với góc tiến động θ không đổi). Khi đó momen động học
toàn phần của hệ có giá trị gần bằng momen con quay.
Momen con quay được xác định theo công thức:
2 2
x 1 2 1 2 2
1 1
M mr sin mr cos sin
4 4
2.4. Mô hình và đặc điểm các cơ cấu
Từ những năm 1900 đến nay, có rất nhiều công trình nghiên
cứu về con quay hồi chuyển và sử dụng con quay hồi chuyển để thiết
kế xe hai bánh tự cân bằng. Trong đó có mô hình sử dụng một con
quay và mô hình sử dụng hai con quay. Các mô hình này có đặc
điểm như sau:
Mô hình sử dụng một con có đặc điểm:
Mô hình này gồm một con quay gắn trên khung, để cho con
quay có thể quay được trong khung thì cần sử dụng một động cơ có
tốc độ quay cao.
Thiết kế đơn giản, nhỏ gọn.
Có khung con quay để đảm bảo an toàn trong quá trình sử dụng.
Mô hình sử dụng 2 con quay có đặc điểm:
Tạo ra lực tiến động lớn.
11
Thiết kế phức tạp hơn, do sử dụng hai con quay nên cần thêm
động cơ, dẫn đến tăng trọng lượng, tăng chi phí và gây ồn hơn.
Để điều khiển các con quay cần dùng đến thuật toán điều khiển
phức tạp hơn
Qua việc phân tích đặc điểm các mô hình, cho thấy mô hình
một con quay có kết cấu đơn giàn, nhỏ gọn hơn và điều khiển cũng
đơn giản hơn mô hình dùng hai con quay hồi chuyển. Vì vậy đã có
một số nhóm sinh viên trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp đã làm
nhưng tính ổn định của cơ hệ chưa cao.
Qua thực tế thử nghiệm các mô hình, cho thấy mô hình một
con quay trục đứng đạt tính ổn định cao hơn. Vì vậy trong luận văn
này sẽ thử nghiệm khả năng chịu momen lật và momen chống lật của
xe sử dụng một con quay hồi chuyển trục đứng.
2.5. Ứng dụng của con quay hồi chuyển
Con quay hồi chuyển thường được sử dụng trong các phòng thí
nghiệm vật lý của các trường học và các viện nghiên cứu kỹ thuật.
Con quay hồi chuyển được dùng với gia tốc kế trong các
thiết bị di động hiện đại ngày nay, đặc biệt là điện thoại thông minh
và máy tính bảng. Con quay hồi chuyển hoạt động dựa trên các
nguyên lý bảo toàn momen động lượng nên phương của trục con
quay không đổi trong không gian. Tính chất này được dùng để xác
định phương hướng. Trong các tàu biển, con quay hồi chuyển được
dùng trong các hệ thống định vị hướng, giống như một la bàn. Do có
độ chính xác cao nên con quay hồi chuyển cũng được dùng để định
hướng trong khai thác mỏ, hầm lò.
Ngoài ra con quay hồi chuyển còn có ứng dụng quan trong
trong việc giữ cân bằng cho các xe hai bánh và ổn định cho tàu
thuyền. Đến nay, đã có nhiều công bố khoa học [1,17], các doanh
nghiệp [Gyrobike, Lit Motor] quan tâm cả về lý thuyết lẫn thực
12
nghiệm, triển khai ý tưởng cân bằng cho xe hai bánh dọc và tàu
thuyền. Đầu năm 2014, xe Lit Motor được mang đi biểu diễn đã gây
sức thu hút lớn do tính tiện lợi của nó. Hãng Gyrobike đã cho ra đời
sản phẩm bánh xe tự cân bằng mang tên GYROWHEEL. Với loại
bánh xe mới này, trẻ em sẽ an toàn hơn, sẽ làm quen với xe đạp
nhanh hơn và cũng đỡ chiếm diện tích vì không có các bánh xe phụ.
GYROWHEEL được gắn vào bánh trước để thay thế các bánh xe
thông thường, nhằm tạo ra sự cân bằng cao nhất cho cả chiếc xe khi
trẻ em bắt đầu những bước làm quen.
2.6. Kết luận
Chương này trình bày cơ sở lý thuyết dùng con quay hồi
chuyển và đặc tính động lực học của con quay hồi chuyển. Qua đó
thấy, nếu tác dụng một momen lực lên trục con quay khi con quay
đang quay với vận tốc quay riêng
1
thì sẽ làm cho con quay hồi
chuyển tiến động với vận tốc tiến động
2
, momen được sinh ra ở
trục thứ ba, vuông góc với cả mô-men xoắn và trục quay, như vậy
theo lý thuyết, để giữ cho con quay cân bằng thì momen con quay có
giá trị gần bằng giá trị momen ngoại lực tác dụng lên con quay.
Giả sử một xe hai bánh đang chuyển động, nếu tác dụng một
lực va chạm ngang làm xe có xu hướng mất cân bằng. Khi đó rất khó
để có thể tác dụng một lực theo phương ngược lại để giữ cân bằng
cho xe. Vì vậy cần phải tạo ra một momen lực vuông góc với lực tác
dụng (lực gây lật) để giữ cân bằng cho xe. Quan hệ động lực học
giữa momen gây lật và momen cản lật của con quay rất phức tạp
nhưng việc xác định mối quan hệ này lại rất quan trọng vì nó làm cơ
sở cho bài toán điều khiển sau này.
Ý tưởng xây dựng một mô hình xe bánh bánh dùng con
quay hồi chuyển chịu va chạm đột ngột mà không đổ là có thể thực
hiện được.
13
Chương 3. THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO
3.1. Giới thiệu
Chương này trình bày về việc thiết kế, chế tạo mô hình xe
hai bánh tự cân bằng dựa trên nguyên lý con quay hồi chuyển. Thiết
bị và sơ đồ thí nghiệm để khảo sát các đặc tính của hệ thống sẽ được
mô tả cụ thể. Các thiết bị đo và cách thức tiến hành thí nghiệm khảo
sát động lực học của mô hình cũng được trình bày chi tiết.
Phần 3.2 sẽ trình bày về các bước thiết kế và chế tạo mô
hình. Các thiết bị đo kiểm, thu thập dữ liệu được sử dụng trong thí
nghiệm sẽ được trình bày trong phần 3.3. Phần 3.4 trình bày quy
trình lắp đặt, vận hành thiết bị thí nghiệm. Phần cuối cùng của
chương, phần 3.5 sẽ tóm tắt các kết luận chính.
3.2. Thiết kế và chế tạo
Để kiểm chứng khả năng giữ cân bằng của con quay hồi
chuyển, cần thiết kế một mô hình xe hai bánh tự cân bằng, dựa trên
cơ sở lý thuyết về con quay hồi chuyển đã trình bày ở chương 2.
Mô hình xe hai bánh tự cân bằng được làm từ ý tưởng trên
phải đơn giản, dễ chế tạo, thuận tiện khi lắp đặt, vận hành, hoạt động
ổn định, chính xác. Từ yêu cầu trên, thiết kế sơ bộ một mô hình xe
hai bánh tự cân bằng gồm có:
Khung xe.
Con quay hồi chuyển.
Gắn động cơ điện một chiều cho con quay để con
quay có thể quay trong khung.
Lắp bánh xe để cho xe di chuyển.
Sơ đồ nguyên lý được trình bày trên hình 3.1
14
Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý của xe hai bánh tự cân bằng
dùng con quay hồi chuyển.
Trên hình 3.1, con quay được treo trên khung xe. Muốn cho
con quay quay bên trong khung xe cần gắn một động cơ cho con
quay và lắp bánh xe vào cho xe chuyển động. Khi con quay quay với
tốc độ rất cao, nếu tác động một lực va chạm sẽ sinh ra một momen
lực làm khung bị xiên đi nên cần có một lực tác dụng theo hướng
ngược lại để giữ cân bằng cho xe. Vì vậy các bộ phận chính của xe
được thiết kế như sau.
3.2.1. Khung xe
Từ ý tưởng trên, khung xe dược thiết kế nhỏ, gọn, có dạng
hình chữ nhật, với hai thanh thép V3 (có kích thước dài 668mm, rộng
30mm, dày 3mm) ghép với hai thanh thép đặt ngang (có kích thước
dài 360mm, rộng 50mm, dày 3mm) nhờ mối ghép bulong. Hai bánh
xe được thiết kế có kích thước đường kính ngoài 97mm, được gắn
cứng với thanh thép đặt ngang.
3.2.2. Động cơ
Chọn động cơ sử dụng có:
Công suất định mức là 250W;
Vận tốc 2650 v/p;
Điện áp 24V
Đ
ộ
ng cơ
Khung xe
Con quay
Bánh xe
15
3.2.3. Con quay
Con quay là chi tiết được lắp lên trục động cơ, momen quán
tính của con quay phụ thuộc vào bán kính và khối lượng. Muốn tăng
momen quán tính thì phải tăng trọng lượng hoặc tăng bán kính con
quay. Dễ thấy nếu tập trung khối lượng càng xa trục thì momen càng
tăng, do vậy chế tạo con quay như một cái đĩa dẹt có khối lượng tập
trung ở vành đĩa.
Chọn con quay có khối lượng là 7.5kg, bán kính là 130mm
vì lý do sau:
Phù hợp với điều kiện chế tạo, gia công và vận hành
trong phòng thí nghiệm.
Phôi sẵn có.
Phù hợp với mô hình thí nghiệm
Con quay được thiết kế với đường kính ngoài là 260mm, dày
30mm, hai mặt bên được sấn bậc Ø = 200 mm, sâu 10mm .
Qui trình chế tạo con quay như sau:
Bước 1: Chọn phôi
- Đường kính phôi: Ø265mm.
- Chiều dày phôi: 32mm.
- Vật liệu: tôn
Bước 2: Lắp phôi lên máy tiện vạn năng MA2AK.
Bước 3: Lắp dao lên đài gá dao
Bước 4: Khỏa mặt đầu 1mm
Bước 5: Sấn bậc Ø200 mm, sâu 10mm, trụ trong Ø25 mm
Bước 6: Đảo mặt đầu, gá đồng tâm, khỏa mặt đầu 0.5 mm
Bước 7: Sấn bậc Ø200 mm, sâu 10 mm, trụ trong Ø25 mm
Bước 8: Khoan lỗ Ø7,7
0,01
16
Bước 9: Mài tròn ngoài: Làm trục gá, kẹp tốc, chống tâm hai
đầu, mài láng phần trụ ngoài trên máy mài tròn ngoài, quẹt hai mặt
đầu trên cùng một lần gá.
3.2.3. Giá treo động cơ.
Để động cơ có thể truyền chuyển động quay cho con quay
(trong mô hình treo con quay lên khung xe theo phương thẳng đứng),
cần có một giá treo động cơ lên khung xe , để đảm bảo tính an toàn
và ổn định cho mô hình.
Từ kích thước của khung xe và động cơ, chọn kết cấu và
kích thước giá treo động cơ
3.2.4. Gối đỡ vòng bi
Gối đỡ là chi tiết có kết cấu đơn giản, vật liệu chế tạo là gang
xám, dùng để đỡ các trục quay, bề mặt làm việc là các lỗ. Gối đỡ làm
việc trong điều kiện chịu lực và tải trọng khá lớn. Để treo giá đỡ
động cơ lên khung xe, sử dụng 2 gối đỡ vòng bi P203, đảm bảo hệ
dẫn động được cứng vững.
3.3. Các thiết bị đo
3.3.1 Thiết bị đo lực
Lực tác động lên xe được đo bằng thiết bị Loadcell
Tốc độ quay của bánh đà được đo bằng đồng hồ đo tốc độ
3.3.2 Thiết bị thu thập dữ liệu
Tín hiệu được đưa vào máy vi tính bằng bộ thu nhận dữ liệu
DAQ USB-6008 của National Instruments và phần mềm hiển thị dao
động NI LabView Signal Express 3.0.
3.4. Lắp đặt, vận hành thiết bị thí nghiệm
Trước tiên, lắp động cơ lên giá treo động cơ, lắp con quay
vào trục động cơ, đầu dưới của trục động cơ được đặt vào một khớp
tự lựa, định vị giá treo động cơ lên khung xe bằng hai gỗi đỡ vòng bi.
17
Khi cấp nguồn nuôi, động cơ hoạt động làm cho con quay quay với
tốc độ 3307 vòng/phút và giữ cho xe cân bằng.
Loadcell có nhiệm vụ tiếp nhận tín hiệu về sự thay đổi lực
tác động cơ hệ như hình 3.15. Cảm biến trọng lực sẽ được cố định
lên bàn thí nghiệm bằng vít định vị.
3.5. Kết luận
Trong chương này, một mô hình xe hai bánh dọc vận hành
dựa trên nguyên lý hoạt động của con quay hồi chuyển đã được thiết
kế, chế tạo và vận hành thử nghiệm.
18
Chương 4. THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ TƯƠNG TÁC LỰC
VÀ MOMEN
4.1. Giới thiệu.
Trong chương trước, bài toán thiết kế và chế tạo một mô hình
xe hai bánh dọc đã được mô tả. Chương này sẽ tiếp tục trình bày cách
thức tiến hành thí nghiệm và khảo sát các đặc tính của mô hình xe hai
bánh dọc. Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện để kiểm chứng khả
năng giữ cân bằng cho mô hình. Tất cả các kết quả được mô phỏng
trực tiếp từ số liệu đã thu thập từ các hoạt động của cơ hệ.
Các thiết lập thử nghiệm và cài đặt chương trình thử nghiệm
sẽ được thể hiện trong phần 4.2, tiếp theo các kết quả thử nghiệm và
một số những ý kiến thảo luận được trình bày trong phần 4.3. Sự so
sánh giữa các kết quả có được từ các thử nghiệm sẽ được thực hiện
trong phần 4.4. Phần cuối cùng, phần 4.5 sẽ là tóm tắt các kết luận
chính phần thực hiện của chương.
4.2. Thí nghiệm mô tả mối quan hệ giữa momen gây lật và momen
hồi chuyển
4.2.1. Mô tả thí nghiệm
Sơ đồ thí nghiệm được trình bày trên hình 4.1.
Hình 4.1. Sơ đồ thu thập tín hiệu momen lật từ Load cell
Bảng số liệu
Phần mềm vẽ đồ thị
Loadcell
Màn hình máy tính hiển thị kết quả
Bộ tiếp nhận dữ liệu DAQ USB 6008
Bộ xử lý dữ liệu thu được NILabview 3.0
19
Chương trình thử nghiệm được tiến hành để xác định mối
quan hệ giữa lực và momen bằng cách lần lượt treo các quả nặng có
khối lượng khác nhau lên thanh điều khiển.
Trong mỗi lần thí nghiệm, ban đầu thiết bị đo loadcell được
xác lập ở mức 2,2mV. Cấp nguồn cho động cơ hoạt động khi con
quay quay ổn định thì xe sẽ đạt đến trạng thái tự cân bằng. Khi đó
treo quả nặng có khối lượng m lên thanh điều khiển, lực tác dụng này
được chuyển đổi thành tín hiệu số qua loadcell, sau đó được kết nối với
các kênh đầu vào tương ứng của hệ thống thu thập dữ liệu DAQ USB-
6008 và được hiển thị trên màn hình với phần mềm hiển thị dao động NI
LabView Signal Express 3.0 để theo dõi và lưu vào một file trên máy
tính với tỷ lệ lấy mẫu cho các tín hiệu được thiết lập là 20 mV.
4.2.2. Kiểm chứng thiết bị thí nghiệm
Sử dụng bình ắc qui 6,3V để cấp điện cho Loadcell hoạt
động. tín hiệu ra của Loadcell được thu nhận qua một bộ chuyển đổi
tín hiệu DAQ
Thí nghiệm kiểm chứng thiết bị: Lần lượt đặt các vật có
khối lượng khác nhau lên Loadcell, thu được tín hiệu ra. Kết quả đo
nhận được từ Loadcell là R
2
= 0.999 cho thấy mô hình phù hơp với
dữ liệu.
4.2.3. Cách tiến hành thí nghiệm
Trước tiên, để đảm bảo tính chính xác, việc thu thập số liệu
cho mỗi bộ thông số của hệ thống sẽ được thực hiện ba lần lấy số
liệu, sau đó kiểm tra và chọn giá trị trung bình làm giá trị để phân
tích cho bộ thông số đó. Hình 4.5 minh họa cho kết quả thu được sau
khi tiến hành thí nghiệm
20
Hình 4.6. Đồ thị quan hệ giữa momen gây lật và momen hồi chuyển
4.2.4. Kết quả thí nghiệm
Với mỗi giá trị khối lượng treo lên thanh ngang, Loadcell
cảm nhận, ghi lại và đưa vào máy tính thông qua phần mềm Labview
được cho trong bảng 4.2.
Bảng 4.2. Quan hệ giữa momen gây lật và momen hồi chuyển
m (kg) Điện áp ra
(mV)
F
1
(N) F
2
(N) M
1
(N.m) M
2
(N.m)
0.5 0.2 4.9 7.056 1.078 1.19952
1 0.3 9.8 10.584 2.156 1.79928
1.5 0.5 14.7 17.64 3.234 2.9988
2 0.6 19.6 21.168 4.312 3.59856
2.5 0.7 24.5 24.696 5.39 4.19832
3 0.9 29.4 31.752 6.468 5.39784
3.5 1.1 34.3 38.808 7.546 6.59736
4 1.2 39.2 42.336 8.624 7.19712
Thực tế thí nghiệm cho thấy momen hồi chuyển có giá trị
gần bằng momen gây lật. Kết quả này tương tự như tính toán lý
thuyết đã trình bày ở chương 2.
21
4.3. Thí nghiệm kiểm chứng va đập
4.3.1. Mô tả thí nghiệm
Thí nghiệm được thực hiện nhằm mô phỏng khả năng chịu
va đập của xe khi đang lưu thông trên đường. Thực tế, khi xảy ra va
chạm, lực tác động F
vđn
(lực va đập ngang) gây ra một momen M
(momen gây lật xe) theo phương vuông góc với đường nối hai bánh xe.
Hình 4.7. Mô hình xe chịu va đập ngang; Hình 4.8. Sơ đồ thả vật rơi tự do
Momen gây lật xe này (hình 4.7) tương đương với momen
lật như khi tác dụng một lực xung theo phương thẳng đứng lên thành
khung xe.
4.3.2. Cách thức thí nghiệm
Cấp nguồn cho động cơ hoạt động, khi bánh đà quay ổn định
với tốc độ đạt 3307 vòng/phút thì xe sẽ đạt đến trạng thái cân bằng.
Khi này giữ vật nặng có khối lượng xác định, có cao độ so với thành
ngoài của xe một khoảng xác định (h = 400mm ). Thả vật rơi tự do,
va đập vào khung xe. Lực va đập sẽ gây momen lật xe một cách đột
ngột (xem hình 4.8). Trên thanh ngang của giá treo động cơ có lắp
cảm biến góc để đo góc xoay của trục khi thả vật va đập.
F
vđn
h
M
l
Lực va đập
F
P
h
O
22
4.3.3. Kết quả thí nghiệm
Với mỗi vật nặng có khối lượng khác nhau thả rơi từ độ cao
400mm xuống khung xe, kết quả thu được nhờ cảm biến góc xoay và
cảm biến trọng lưc được cho bởi Bảng 4.3 Từ kết quả thu được , dễ
thấy mô hình xe hai bánh tự cân bằng chịu được xung va đập khá
lớn. Thực tế thí nghiệm với vật nặng có khối lượng 15kg thả từ độ
cao 400mm, khi đó mô hình có thể chịu động năng va đập tới
32582.19 J mà xe không bị đổ
4.4. Kết luận
Chương này trình bày chi tiết cách thức tiến hành và phân
tích số liệu thí nghiệm. Tím được mối quan hệ giữa momen gây lật
và momen xoay truc để làm cơ sở cho bài toán điều khiển sau này và
ý tưởng thiết kế mô hình xe hai bánh tự cân bằng chịu lực va đập lớn.
1. Việc xác định các đại lượng theo các công thức lý thuyết nói
trên chỉ mang tính chất gần đúng vì quan hệ động lực học của
con quay rất phức tạp.
Tương quan vị trí của trục con quay với momen gây lật biến đổi
Ảnh hưởng của ma sát
Ảnh hưởng quán tính
Do đó dẫn đến sự sai khác trong thực tế với mô hình toán
trong lý thuyết.
2. Tạo dựng mô hình thí nghiệm:
Do điều kiện thí nghiệm chưa đủ thiết bị, nên
Có được thiết bị thí nghiệm rất khó khăn
Cần xác lập bằng thực nghiệm quan hệ giữa momen điều
khiển và momen gây lật theo qui luật biến đổi bằng thiết bị đo
online. Nói cách khác, số liệu đo phải được sẽ được lưu vào máy
tính, sau đó được xử lý. Nếu có được thiết bị đo lực động (Force
sensor) thì sẽ thu được kết quả chính xác hơn.
23
Cần có thiết bị đo momen
Cách thức tạo ra lực và momen rất khó khăn.
3. Kiểm chứng được quan hệ xác định giữa momen điều khiển
và momen lật gần đúng như lý thuyết theo quan hệ bậc nhất để
làm cơ sở phát triển bài toán điều khiển hoàn chỉnh.
4. Khẳng định tính ưu việt của việc điều khiển cân bằng dùng
momen con quay.
