Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử thiết kế robot dò line

Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử

Mục lục
Chương 1 :

TỔNG QUAN .........................................................................................4

1.1

Đề bài đặt ra : ...................................................................................................4

1.2

Giới thiệu: .........................................................................................................5

1.3

Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước: ..................................................5

1.3.1

Ngồi nước: ................................................................................................5

1.3.2

Trong nước: ...............................................................................................8

Chương 2 :
2.1

LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN ................................................................10

Cơ khí ..............................................................................................................10

2.1.1

Sơ đồ nguyên lý........................................................................................10

2.1.2

Bánh xe .....................................................................................................11

2.1.3

Động cơ .....................................................................................................12

2.1.4

Cảm biến ..................................................................................................13

2.1.5

Phương án điều khiển: ............................................................................14

2.1.6

Giải thuật điều khiển: .............................................................................14

2.1.7

Phương án thiết kế : ................................................................................14

Chương 3 :
3.1

HỆ THỐNG CƠ KHÍ ..........................................................................15

Bánh xe: ..........................................................................................................15

3.1.1

Bánh chủ động: ........................................................................................15

3.1.2

Bánh bị động:...........................................................................................15

3.2

Tính tốn lựa chọn động cơ...........................................................................15

3.3

Tính tốn thiết kế thân xe: ............................................................................18

3.3.1

Thiết kế kích thước thân xe ....................................................................18

3.3.2

Tính tốn trọng tâm xe ...........................................................................21
1


Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử

3.3.3

Tính tốn khoáng cách đặt cảm biến cho với trục của bánh dẫn động.
22

3.3.4
Chương 4 :

Bố trí thiết bị : .........................................................................................23
HỆ THỐNG ĐIỆN ...............................................................................24

4.1

Sơ đồ tổng quan: ............................................................................................24

4.2

Nguồn: .............................................................................................................25

4.3

Lựa chọn driver: ............................................................................................26

4.4

Thiết kế bộ điều khiển PID động cơ: ............................................................31

4.4.1

Động cơ trái: ............................................................................................31

4.4.2

Động cơ phải: ...........................................................................................32

4.5

Thiết kế cảm biến: ..........................................................................................32

4.5.1

Thiết kế gá đặt cảm biến: .......................................................................32

4.5.2

Test độ cao cảm biến phù hợp: ..............................................................35

4.5.3

Lựa chọn số lượng cảm biến: .................................................................36

Calibration .............................................................................................................37
4.5.4
Chương 5 :

Thiết kế mạch cảm biến:.........................................................................38
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ................................................................39

5.1

Mơ hình hóa: ..................................................................................................39

5.2

Thiết kế bộ điều khiển ...................................................................................41

5.3

Kết quả mô phỏng. .........................................................................................43

5.4

Giải thuật điều khiển: ....................................................................................47

5.4.1

Giải thuật tính sai số e2 ..........................................................................47

5.4.2

Sơ đồ khối bộ điều khiển: .......................................................................47

5.4.3

Giải thuật điều khiển xe: ........................................................................48
2


Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử
Lưu đồ giải thuật....................................................................................................50
Chương 6 :

KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ..............................................................52

6.1

Kết quả chạy xe. .............................................................................................52

6.2

Trải nghiệm trong quá trình làm đồ án. ......................................................53

3


Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử
Chương 1 :

TỔNG QUAN

1.1 Đề bài đặt ra :
Mô tả về sa bàn:
- Màu sắc đường line: đen.
- Màu nền: trắng.

- Bề rộng đường line: 26mm.
- Bề mặt địa hình di chuyển: phẳng.
- Đường line liên tục.
Robot bắt buộc phải chạy theo chiều quy định đã ghi trên sa bàn (hình 1).
Khi bắt đầu, robot được đặt tại vị trí START (điểm A), sau đó robot chạy theo thứ
tự qua các điểm nút quy định lần lượt như sau:
(START) A → B → C → D → E → F → C → G → A → C → E (END).

Hình 1-1 Sa bàn di chuyển của robot
Bên cạnh đó cịn các ràng buộc về xe dò line như sau:
- Tốc độ tối thiểu của robot: 0,2 m/s.
- Đường kính các bánh xe: d ≤ 200mm.
- Số lượng bánh xe (chủ dộng và bị động): tùy chọn.
4


Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử
- Kích thước tối đa các chiều của robot (dài × rộng × cao): 300mm ×
220mm × 300mm.
- Có khẳ năng chở hình hộp chữ nhật trọng lượng 2kg với kích thước tối đa
(dài × rộng × cao): 200mm × 100mm × 300mm.
- Robot được trang bị hệ thống cảm biến để nhận biết và di chuyển bám line.
1.2 Giới thiệu:
Robot đã ra đời rất sớm thay thế con người làm những việc nặng nhọc và độc hại.
Trong thời đại công nghiệp hiện nay, robot ngày càng được ứng dụng rộng rãi
trong sản xuất cũng như trong đời sống. Do yêu cầu ngày càng cao và phức tạp,
robot cần có sự thay đổi linh hoạt và đáp ứng nhanh, nhất là mobile robot.
Mobile robot là một loại robot có khả năng tự dịch chuyển, tự vận động có
khả năng hồn thành cơng việc được giao. Trong đó robot dị line là loại robot có
thể tự xác định vị trí tương đối của mình và di chuyển bám theo một quỹ đạo

(line từ, line màu) đã định sẵn.
Hiện nay, robot dò line đã và đang được ứng dụng rộng rãi và ngày càng
hoàn thiện trong lĩnh vực thăm dò đại dương, tự hành trên không, trong các môi
trường kho bãi, nhà xưởng để vận chuyển hàng hóa thay con người hoặc dùng để
nghiên cứu kỹ thuật trong các cuộc thi ở các quy mơ khác nhau.
1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước:
1.3.1 Ngoài nước:
1.3.1.1 Xe Fireball tham gia cuộc thi đầu tiên Bot Brawl (Peoria, Illinois) (2014)
Kết cấu xe rất đơn giản gồm bốn bánh đều là bánh chủ động được dẫn động bởi
bốn động cơ riêng biệt.

5


Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử

Hình 1-2 Xe dị line Fireball

Hình 1-3 Đường line Bot Brawl 2010
Bảng 1.1 Thông số kỹ thuật Fireball
Thông số

Giá trị

Đơn vị

Dài x Rộng x Cao

100 x 100 x 40

mm

Vận tốc trung bình

1.5

m/s

Khối lượng

200

g

 Ưu điểm:
6


Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử
Kết cấu truyền động đơn giản, độ cứng vững cao, bán kính cong nhỏ.
 Nhược điểm:
Bộ điều khiển phức tạp do phải điều chỉnh độ đồng tốc của 4 động cơ riêng biệt
để xe khơng bị trượt.
1.3.1.2 FH Westküste là robot dị line của đội vô địch cuộc thi MCU Car Rally
được tổ chức tại Nuremberg vào năm 2015.
Xe được cấu tạo giống xe đua thực tế với gầm thấp và thân dài về phía trước.

Xe sử dụng cơ cấu lái Ackerman, hai bánh trước được cố định trực tiếp với
khung cảm biến dò line, đồng thời được điều khiển bằng một động cơ servo
nhằm điều hướng cho xe, động cơ sau tạo lực đẩy xe tiến lên thông qua cơ cấu

vi sai.

Hình 1-4 Xe dị line FH Westküste

Hình 1-5 Đường line MCU Car Rally 2015
7


Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử

Bảng 1.2 Thơng sớ kỹ tḥt Xe dị line FH Westküste
Thơng sớ

Giá tri ̣

Đơn vi ̣

Dài × Rộng × Cao

550 × 170 × 140

mm

Vâ ̣n tố c trung bình

1.04

m/s

Khố i lượng

1.1

kg

Ưu điểm:
Cơ cấu lái Ackerman cho phép xe hoạt động ổn định, bám đường tốt, chống
trượt.
 Nhược điểm:
Cơ cấu phức tạp, việc sử dụng hai bánh trước có cùng trục quay tạo áp lực lớn
tác động lên động cơ điều hướng, bán kính cong lớn (hạn chế do góc lái của bánh
trước và chiều dài thân xe), khó ơm cua.

1.3.2 Trong nước:
1.3.2.1 Xe Mr.zero - Trịnh Nguyễn Trọng Hữu – Giành giải nhì trong cuộc thi
2015.
Số lượng bánh xe: 4 bánh, 2 bánh sau gắn dẫn động, 2 bánh trước tự lựa.

Hình 1-6 Sơ đồ xe Mr.zero
- Tốc độ đạt được: 1.6 m/s.
- Sai số: 15 mm.
8


Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử
 Ưu điểm : xe đảm bảo khả năng cân bằng tốt.
 Nhược điểm : không đảm bảo độ đồng phẳng do đó cần một hệ thống
treo để đảm bảo xe tiếp xúc với mặt đường.

1.3.2.2 Xe UIT-Mon - Nguyễn Tiến Đình - Giải nhất cuộc thi năm 2013.

Số lượng bánh xe: 3 bánh, 2 bánh sau gắn dẫn động, bánh trước tự lựa.

Hình 1-7 Sơ đồ xe UIT-Mon
Tốc độ đạt được: 1,5m/s.
- Sai số: 20 mm.
 Ưu điểm : 3 bánh xe luôn tiếp xúc với bề mặt di chuyển, đáp ứng nhanh
do phần cảm biến đặt xa bánh chủ động.
 Nhược điểm : dễ bị lật khi tải trọng đặt lệch so với trọng tâm, khó ơm
cua do chiều dài xe lớn

9


Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử
Chương 2 :

LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

2.1 Cơ khí
2.1.1 Sơ đồ nguyên lý
Đặc điểm và yêu cầu của xe:
- Xe di chuyển trên địa hình bằng phẳng khơng có dốc nghiêng.
- Xe chở tải nặng 2kg
- Xe di chuyển với đường line liên tục khơng bị đứt đoạn, có khoảng giao nhau
tại vị trí A,C,E và rẽ được 90 độ tại A.
Đề xuất các phương án:
Bảng 2.1 Bảng so sánh một số sơ đồ nguyên lý

Xe 3 bánh
2 bánh chủ động

2 bánh chủ động

Xe 4 bánh

2 bánh tự lựa phía

2 bánh tự lựa phía

phía sau và bánh tự phía trước và bánh

trước và 2 bánh chủ

trước có hệ thống

lựa phía trước.

tự lựa phía sau.

động phía sau.

treo.

* Ưu điểm:

* Ưu điểm:

* Ưu điểm:

* Ưu điểm:

- 3 bánh xe luôn

- 3 bánh xe luôn

- Xe có kết cấu đơn

-Xe bẻ lái dễ dàng

đồng phẳng tiếp

đồng phẳng tiếp

giản.

khi qua cua và

xúc với mặt đất.

xúc với mặt đất.

-Xe có 4 bánh nên

khơng bị lật dù
10


Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử
- Kết cấu cơ khí

- Kết cấu cơ khí

khi qua cua dù mang

mang tải nặng.

đơn giản.

đơn giản.

tải nặng cũng không

- 4 bánh xe ln

- Qua cua dễ dàng.

- Xe dù có lực bên

bị lật như xe 3 bánh.

đồng phẳng do có

ngồi cũng khó bị

hệ thống treo.

văng ra khỏi đường
line hơn là bánh tự
lựa phía trước.
-Qua cua dễ dàng.

* Nhược điểm:

*Nhược điểm:

*Nhược điểm:

* Nhược điểm:

- Bánh tự lựa phía

- Do xe mang tải

-Khó đảm bảo cho 4

- Thiết kế cơ khí

trước nên chỉ cần

nặng nên khi qua

bánh xe ln đồng

phức tạp khó chế

chịu một tác động

cua xe dễ bị lật.

phẳng.

tạo.

nhỏ cũng có thể

- khó qua cua do đặc

- khó điều khiển

làm cho xe văng

điểm của bánh xe tự

khỏi đường line.

lựa.

- Xe mang tải nặng
nên khi qua cua dễ
bị lật.
- Mơ hình: uXbot-

- Mơ hình: Arobot

- Mơ hình: Silvestre-

- Mơ hình: Smart

line following

mobile robot

line following robot

Car trong cuộc thi

robot của Daniel

vận tốc tối đa 0.25

trong cuộc thi

The Freescale

Álvarez với vận tốc m/s.

Cosmobot với tốc độ

2012, Plethora II.

trung bình đạt 1.65

tối đa lên tới 3m/s.

m/s.
→ Chọn phương án xe ba bánh với hai bánh chủ động phía sau và một bánh tự lựa
phía trước.
2.1.2 Bánh xe
2.1.2.1 Bánh chủ động
- Yêu cầu:
11

Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử
+ Nhẹ, bền, khả năng bám đường tốt
+ Đường kính bánh xe 𝑑 ≤ 200𝑚𝑚
+ Di chuyển trên địa hình bằng phẳng
- Phương án lựa chọn: dựa trên đặc điểm của các loại bánh và yêu cầu cần đáp ứng,
nhóm lựa bánh thơng thường có gai: bánh V3.

Hình 2-1 Bánh xe V3
2.1.2.2 Bánh bị động:
Trên thị trường có nhiều loại bánh xe khác nhau, nhưng thường được sử dụng nhiều
nhất là bánh mắt trâu, bánh omni, bánh caster
 Yêu cầu bánh bị động:
- Kết cấu nhỏ gọn
- Di chuyển trên bề mặt sa bàn phẳng, ít cát bụi.
- Dẫn hướng tốt.
- Xử lý nhanh khi vào cua
- Phù hợp hoàn cảnh kinh tế sinh viên
 Chọn phương án bánh mắt trâu
2.1.3 Động cơ
→ Theo đề bài, với yêu bài toán xe đạt vận tốc 1 m/s trong thời gian mong muốn 1s,
nhóm chọn động cơ DC servo có encoder.

12


Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử

2.1.4 Cảm biến

Các yêu cầu khi lựa chọn cảm biến
- Khả năng đáp ứng nhanh sự thay đổi màu sắc giữa trắng và đen.
- Có khả năng nhận biết những đoạn line gấp khúc đột ngột
- Ít bị nhiễu.
- Dễ tìm kiếm, mua được trên thị trường và giá thành hợp lí.
Dựa trên sự phân tích các phương án về sensor ở phần tổng quan, ta thấy sử dụng
phototransitor là hợp lý cũng như đáp ứng được các yêu cầu kĩ thuật của thực tế cuộc
thi. Dựa trên đặc tính độ nhạy cao của phototransitor, hai phương án sử dụng loại
sensor này được đề xuất:
-

Phototransistor kết hợp với LED thường

-

Phototransistor kết hợp với LED hồng ngoại.



Đối với đường line màu có độ tương phản cao vì thế LED hồng ngoại cho độ
nhạy cao hơn nhưng cần phải che chắn để chống nhiễu. Đối với đường đua mà
màu line với màu của nền có độ tương phản thấp, sử dụng LED thường sẽ hiệu
quả hơn.

Thực tế đường line cho thấy màu có độ tương phản cao (line đen, nền trắng) nên
nhóm chọn phương án Phototransistor kết hợp với LED hồng ngoại.
- Số lượng cảm biến:
Bảng 2.2 So sánh số lượng cảm biến
Số lượng

5
- Bắt được line tốt hơn do có
1 cảm biến ở tâm line (so

Ưu

với số cảm biến chẵn)
- Giảm chi phí (so với 7)
- Hạn chế nhiễu (so với 7)

Nhược

7
- Bắt được line tốt hơn do có 1 cảm biến
ở tâm line (so với số cảm biến chẵn)
- Giữ được vận tốc cao khi vào cua và
khi giao nhau giữa các line (so với 5)
do bắt line giao nhau sớm
- Bám line tốt hơn

- Vào cua bám line không tốt, - Tốn thêm chi phí
13


Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử
xe trượt xa so với đường
line (so với 7)
 Do đó, nhóm chọn sử dụng 7 cảm biến.
2.1.5 Phương án điều khiển:
Các tiêu chí để lựa chọn phương án điều khiển :

- Mạch điều khiển thiết kế đơn giản, giảm khối lượng xe
- Dễ dàng chỉnh sửa và khắc phục lỗi khi lập trình
- Dễ dàng thay thế và nâng cấp.
- Giá thành hợp lý
 Dựa trên các tiêu chí trên, nhóm chọn phương án điều khiển tập trung
2.1.6 Giải thuật điều khiển:
Các tiêu chí để lựa chọn giải thuật điều khiển :
- Đáp ứng nhanh
- Bám line tốt
- Đạt mục tiêu đề ra.
 Do đó, nhóm chọn giải thuật Follow-tracking điều khiển động cơ.
2.1.7 Phương án thiết kế :
Phương án thiết kế robot được lựa chọn:
- Sơ đồ nguyên lý: robot 3 bánh (2 bánh V3 chủ động , 1 bánh mắt trâu dẫn
hướng).
- Cảm biến: bộ 7 LED hồng ngoại-Phototransistor.
- Động cơ: động cơ DC có gắn encoder .
- Cấu trúc điều khiển: bộ điều khiển tập trung
- Giải thuật điều khiển: bộ điều khiển Follow-tracking

14


Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử
Chương 3 :

HỆ THỐNG CƠ KHÍ

Chương này bao gồm lựa chọn bánh xe, tính tốn chọn động cơ, tính tốn kích thước
xe, thiết kế đồ gá cho động cơ, bố trí các bộ phận xe.

3.1 Bánh xe:
3.1.1 Bánh chủ động:
- Chọn bánh V3 để có độ cứng vững tốt
- Thơng số kĩ thuật:
+ Chất liệu: Nhựa
+ Đường kính bánh 𝑑 = 80 𝑚𝑚
+ Độ dày bánh xe 10 mm
+ Độ rộng bánh 30 𝑚𝑚
+ Khớp lục giác 40 𝑚𝑚
+ Khớp lục giác 15 𝑚𝑚
+ Trục xe phi 4 mm
3.1.2 Bánh bị động:
Bánh bị động chọn bánh mắt trâu để tránh hiện tượng shopping-cart
3.2 Tính tốn lựa chọn động cơ
Để xe chuyển động, động cơ có vai trị cung cấp moment cho các bánh. Quá trình
chuyển động này chịu ảnh hưởng đáng kể của khối lượng xe và ma sát giữa bánh xe và
mặt đường.
Mục tiêu:
-

Vận tốc mong muốn v=1m/s

-

Thời gian mong muốn: t=1s

-

Gia tốc mong muốn a=1 m/s

15


Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử

-

Momen quán tính quanh tâm bánh xe:
𝐼=

-

1
𝑚𝑅2
2

Cân bằng momen quanh tâm bánh xe, ta được:

𝜏 − 𝐹𝑚𝑠 . 𝑅 = 𝐼𝛾
⇔ 𝜏 = 𝐼𝛾 + 𝐹𝑚𝑠 . 𝑅
-

Điều kiện để bánh xe lăn không trượt khi động cơ quay:

𝐹𝑚𝑠 ≤ 𝜇𝑁
⇔ 𝜏 ≤ 𝜇𝑁𝑅 + 𝐼𝛾
1
1
⇔ 𝜏 ≤ 𝜇 ( 𝑀 + 𝑚) 𝑔𝑅 + 𝑚𝑅2 𝛾
2

2
-

Thay vào phương trình momen trên ta được :
𝜏=

-

1
1
𝑚𝑅2 𝛾 + ( 𝑀 + 𝑚) . 𝜇. 𝑔. 𝑅
2
2

Công suất mỗi động cơ: 𝑃 = 𝜏𝜔
Trong đó:

-

M=3kg: khối lượng xe (có tính tải)

-

m=0.025 kg: khối lượng bánh xe chủ động

-

𝜇=0.7 : hệ số ma sát

-

𝑅 = 40 𝑚𝑚 : bán kính bánh xe chủ động
16


Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử

-

𝐹𝑚𝑠 : lực ma sát

-

𝛾: gia tốc góc

-

𝑎 = 1 𝑚/𝑠 2 : gia tốc dài mong muốn

-

𝑔 = 9.81𝑚/𝑠 2 : gia tốc trọng trường

-

𝜔: vận tốc góc
Từ đó, momen lăn không trượt
𝜏=

1

1
1
) + ( . 3 + 0,025) . 0,7.9,81.40. 10−3
. 0,025. (40. 10−3 )2 . (
−3
2
40. 10
2

= 0,419 𝑁𝑚
-

Với hệ số an tồn là 1,2, ta tính được:
𝑃 = 1,2.0,419. (

-

1
) = 12.57 𝑊
40. 10−3

Số vòng quay:
𝑛=

60.1
= 239 𝑣/𝑝
2𝜋. 40. 10−3

Từ đó, ta chọn động cơ DC servo GA25 V1 có các thơng số như sau :
Điện áp định mức

12V

Cơng suất định mức

13.2W

Dịng khi khơng tải

80 mA

Dịng khi có tải

600 mA

Dòng khi động cơ bị giữ

2.29 A

Tốc độ khi khơng tải

320 rpm

Tốc độ khi có tải

284 rpm

Momen

1,88kgf.cm

Momen động cơ khi bị giữ

7.96kgf.cm

Động cơ

Hộp giảm tốc

Đường kính

24,4 mm

Chiều dài

31 mm

Đường kính

25 mm

Chiều dài

21 mm

Tỷ số truyền

1:34
17

Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử

Encoder

Đường kính

14 mm

Số xung khi đi qua hộp

374

giảm tốc
Trục cơng tác

Đường kính

4 mm

Chiều dài

8 mm

Tin
́ h toán la ̣i vâ ̣n tốc:
𝑉=

320.2𝜋
. 40. 10−3 = 1,34 𝑚/𝑠

60

Vậy động cơ đã chọn thỏa mãn mục tiêu đặt ra.
3.3 Tính tốn thiết kế thân xe:
3.3.1 Thiết kế kích thước thân xe
Tính tốn chiều dài và chiều rộng xe
L
a

b
Flt

d2

A

a

v2

B
G

d1

v1

Fy1

Fy2

w

R

O

Hình 3-1 Mơ hình tốn chiều dài xe
Vì 𝐿 ≪ 𝑅 nên ta có thể xem :
𝐿

̂ = 2 arcsin
𝐴𝑂𝐵

2

𝑅

=

𝐿
𝑅

Dựa vào quan hệ hình học ta có :
̂ ; 𝛼 − 𝛿1 = 𝐶𝑂𝐵
̂
𝛿2 = 𝐴𝑂𝐶
18

Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử

̂=
𝛼 − 𝛿1 + 𝛿2 = 𝐴𝑂𝐵
⟹𝛼=

𝐿
𝑅

𝐿
+ 𝛿1 − 𝛿2 (1)
𝑅

Trong đó :
𝛿1 , 𝛿2 : góc lệch bên của bánh trước và bánh sau
L : Chiều dài thân xe
R : bán kính cong quỹ đạo
Lực li tâm :
𝑀𝑣 2
𝐹𝑙𝑡 =
𝑅
Trong đó :

-

M là khối lượng của xe.

-

𝑣 là vận tốc dài của xe.

Vì các góc 𝛿1 , 𝛿2 và 𝛼 nhỏ nên ta có thể coi
𝐹𝑦1

𝐹𝑙𝑡 𝑏 𝑚𝑣 2 𝑏 𝑃𝑣 2 𝑏
=
=
=
𝐿
𝑅𝐿
𝑔𝑅𝐿

𝐹𝑦2

𝐹𝑙𝑡 𝑎 𝑚𝑣 2 𝑎 𝑃𝑣 2 𝑎
=
=
=
𝐿
𝑅𝐿
𝑔𝑅𝐿

Đặt :
𝑃𝑏
𝑃𝑎
= 𝑃1 ;
= 𝑃2
𝐿
𝐿
Suy ra :

𝐹𝑦1

𝑃1 𝑣 2
=
𝑔𝑅

𝐹𝑦2

𝑃2 𝑣 2
=
𝑔𝑅

Trong đó :
- 𝐹𝑦1 , 𝐹𝑦2 lần lượt là phản lực ngang mặt đường tác dụng lên bánh xe trước và
sau.
𝑃, 𝑃1 , 𝑃2 lần lượt là trọng lượng của thân xe, trọng lượng phân bố lên bánh trước
và bán sau.
19


Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử

Ta lại có 𝐹𝑦 = 𝐶𝐿 𝛿
Với : 𝐶𝐿 là hệ số trượt ngang của bánh xe.
Lần lượt thay 𝐹𝑦1 , 𝐹𝑦2 vào biểu thức 𝐹𝑦 ta tính được :
𝛿1 =

𝐹𝑦1
𝑃1 𝑣 2
=

𝐶𝐿1 𝑔𝑅𝐶𝐿1

𝐹𝑦2
𝑃2 𝑣 2
𝛿2 =
=
𝐶𝐿2 𝑔𝑅𝐶𝐿2
Thay 𝛿1 , 𝛿2 vào biểu thức (1) ta được :
𝐿
𝑃1 𝑣 2
𝑃2 𝑣 2
𝛼= +
−
𝑅 𝑔𝑅𝐶𝐿1 𝑔𝑅𝐶𝐿2
𝐿
𝑃1
𝑃2 𝑣 2
)
⟹𝛼 = +(
−
𝑅
𝐶𝐿1 𝐶𝐿2 𝑔𝑅
Đặ𝑡 𝐾 =

𝑃1
𝑃2
−
𝐶𝐿1 𝐶𝐿2

𝐿

𝑣2
⟺𝛼 = +𝐾
𝑅
𝑔𝑅
⟹ 𝐿 = 𝛼𝑅 − 𝐾

𝑣2
𝑔

Ở đoạn cua ta cần quay một góc 45° nên chọn :
𝜋
𝛼=
4
𝐾 là hệ số quay vịng được mơ tả ở hình dưới.

K>0
Hệ số quay
vịng thừa

K<0
K=0

Hệ số quay
vịng thiếu

Hệ số quay
vịng đủ

R
R

Hình 3-2 Mơ hình biển diễn hộ số quay vịng
20


Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử
Ta chọn sơ bộ K = 1,5
𝜋

12

4

9,81

Khi đó:𝐿 = 0,5 − 1,5.

≈ 0,19𝑚 = 190 (𝑚𝑚)

Chọn L=245 mm
3.3.2 Tính tốn trọng tâm xe
Tại các đoạn đường chuyển hướng, xe có khả năng bị lật khi trọng tâm xe cao so với
mặt đường. Để tránh lật, moment sinh ra do trọng lực quanh tâm quay C phải lớn hơn
moment của lực li tâm.
Ta ước lượng khoảng cách 𝑏 giữa 2 bánh xe chủ động là 170 mm.
𝐹𝑙𝑡 là lực li tâm được tạo ra khi qua khúc cua.

T
Flt

h

P

C
Fms

Fms
b/2

Hình 3-3 Mơ hình tính tốn khi xe chuyển hướng

Hình 3-4 Mơ hình tốn khi xe chạy qua đoạn cong có bán kính 500mm

𝐹𝑙𝑡 . ℎ −

𝑃𝑏
𝑚𝑣 2
𝑚𝑔𝑏
≤0↔
.ℎ −
≤0
2
𝑅
2
21


Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử

↔ℎ≤

𝑔𝑏𝑅 9,81.0.17.0,5
=
= 0,417(𝑚) = 417(𝑚𝑚)
2𝑣 2
2.12

Vậy xe cần trọng tâm cách mặt đất ℎ < 417 𝑚𝑚.
3.3.3 Tính tốn khống cách đặt cảm biến cho với trục của bánh dẫn động.

L

e

d

a

R
r

B

q
A

O

C≡E

Hình 3-5 Mơ hình biểu diễn lúc xe vào cua
Gọi C là điểm cần điều khiển bám line, C trùng với tâm hai bánh dẫn động. Giả sử ở
thời điểm t xe bắt đầu đầu vào cua với vận tốc v, ta điều khiển được C trùng với E.
Dựa vào quan hệ hình học ta tính được:
𝑒 = 𝑟 − √𝑟 2 − 𝑑 2
Với:
-

e là sai số dò line (mm)

-

r là bán kính cong (mm)

-

d là khoảng cách từ cụm cảm biến đến tâm hai bánh dẫn động (mm)

Ta chọn sơ bộ 𝑒 ≤ 15 (𝑚𝑚), và đề bài cho 𝑟 = 500 (𝑚𝑚). Khi đó ta tính được :
𝑑 ≤ √2𝑒𝑟 − 𝑒 2
⟺ 𝑑 ≤ 122 (𝑚𝑚)
Chọn sơ bộ 𝑑 = 70 (𝑚𝑚)
22


Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử

3.3.4 Bố trí thiết bị :
Kích thước bao của xe phụ thuộc vào kích thước và việc sắp xếp các linh kiện điện,

điện tử, khoảng cách được mô phỏng giữa sensor và các bánh chủ động. Ngồi ra tỉ lệ
kích thước dài-rộng của xe nên được chọn theo tỉ số √5 nhằm giảm thiểu tối đa ảnh
hưởng của các yếu tố động lực học lên xe. Các thiết bị được đặt trên thân xe :
STT

Tên thiết bị

Số lượng

1

Động cơ + Gá

2

2

Bánh chủ động V3

2

3

Bánh bị động mắt trâu

1

4

Kit TM4C123G

1

5

Driver L298N

2

6

Mạch cảm biến

1

7

Mạch ổn áp

2

8

Khối Pin

1

9

Tải

1

-

Chiều dài khổi động cơ ( từ gá đến encoder) khoảng 62 mm

-

Ước tính và chọn bề rộng xe khoảng 170 mm (khoảng cách 2 bánh)

-

Ước tính và chọn chiều dài xe khoảng 245 mm

-

Vật liệu thân xe: mica 4 mm

Hình 3-6 Mơ phỏng 3D xe.
23


Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử
Chương 4 :

HỆ THỐNG ĐIỆN

Từ những lựa chọn ở chương trước, trong phần điện nhóm sẽ tiến hành lựa chọn
driver, thiết kế cảm biến và thiết kế mạch nguồn cho xe dò line. Cuối cùng, nhóm sẽ

vẽ bản vẽ mạch điện chung cho cả xe.

Bảng tóm tắt
Thiết bị
Động cơ
Cảm biến
Driver
Tiva C

Số lượng
2
1
1
1

Dịng điện
600mA
40mA
5mA
100mA

Điện áp
12V
5V
5V
5V

Tổng

Tổng cộng

1200mA-12V
40mA-5V
36mA-5V
100mA-5V
1200mA-12V
176mA-5V

4.1 Sơ đồ tổng quan:

Hình 4-1: Sơ đồ điện tổng quan
24


Đồ án thiết kế hệ thống Cơ- điện tử

4.2 Nguồn:
- Yêu cầu:
 Hệ thống nguồn cấp đủ 12V và 5V cho tồn bộ thiết bị trong q
trình vận hành.
- Pin
Thơng số
Kiểu pin

Giá trị
18650

Điện áp trung bình, 𝑉

3,7

Điện áp sạc đầy, 𝑉

4.2

Dịng xả, 𝐴
Size, 𝑚𝑚

2
18 × 65

Trọng lượng, 𝑔

34

Số lượng

4

Bảng 4.2.1. Tóm Tắt thơng số pin
- Module sử dụng: LM2596:

Hình 4-2:Bộ giảm áp LM296
Mức ổn áp
Điện áp ngõ vào
Điện áp ngõ ra
5V
8V-40V
4.7V-5.2V
12V
15V-40V

11.7-12.4V
Bảng 4.2.2. Thông số của mạch giảm áp

25