Tài liệu Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống an toàn trên xe điện cá nhân 4 bánh

IH C N NG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN PHƢỚC PHÚ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG AN TOÀN TRÊN XE ĐIỆN CÁ NHÂN 4 BÁNH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2018 IH C N NG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN PHƢỚC PHÚ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG AN TOÀN TRÊN XE ĐIỆN CÁ NHÂN 4 BÁNH Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số: 85.20.116 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Phạm Quốc Thái Đà Nẵng - Năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Mọi kết quả nghiên cứu cũng như ý tưởng của tác giả khác nếu có đều được trích dẫn đầy đủ. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Luận văn này cho đến nay vẫn chưa hề được bảo vệ tại bất kỳ một hội đồng bảo vệ luận văn thạc sĩ nào trên toàn quốc cũng như ở nước ngoài và cho đến nay vẫn chưa hề được công bố trên bất kỳ phương tiên thông tin nào. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những gì mà tôi đã cam đoan trên đây. Tác giả Trần Phƣớc Phú MỤC LỤC MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài.................................................................................................... 1 2. Mục đích nghiên cứu ............................................................................................. 2 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................ 2 4. Phƣơng pháp nghiên cứu ...................................................................................... 2 4.1. Phƣơng pháp thu thập thông tin .......................................................................... 2 4.2. Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết ..................................................................... 2 4.3. Phƣơng pháp phân tích đánh giá......................................................................... 2 4.4. Tham khảo ý kiến của giảng viên hƣớng dẫn ..................................................... 2 5. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài ..................................................... 2 6. Dự kiến kết quả đạt đƣợc ...................................................................................... 3 7. Cấu trúc luận văn .................................................................................................. 3 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ..................................................................................... 4 1.1. Xu hƣớng sử dụng nhiên liệu sạch cho phƣơng tiện giao thông...................... 4 1.1.1. Hoàn thiện động cơ diesel ............................................................................. 4 1.1.2. Ôtô chạy bằng các loại nhiên liệu lỏng thay thế ............................................ 4 1.1.3. Ô tô chạy bằng khí thiên nhiên ..................................................................... 5 1.1.4. Ôtô chạy bằng khí dầu mỏ hóa lỏng LPG ..................................................... 5 1.1.5. Ô tô chạy bằng điện ...................................................................................... 6 1.1.6. Ô tô chạy bằng pin nhiên liệu ....................................................................... 7 1.1.7. Ôtô hybrid ..................................................................................................... 8 1.2. Tổng quan về xe điện cá nhân ....................................................................... 8 1.2.1. Giới thiệu chung ........................................................................................... 8 1.2.2. Cấu hình của một số loại xe điện cá nhân ..................................................... 9 1.2.2.1. Cấu hình của ô tô điện ............................................................................... 9 1.2.2.2. Cấu hình một số xe điện cỡ nhỏ ............................................................... 10 1.3. Nhu cầu sử dụng phƣơng tiện giao thông cá nhân: ................................... 13 1.3.1 Phƣơng tiện cá nhân ....................................................................................................... 13 1.3.2 Các phƣơng tiện công cộng ............................................................................ 13 1.3.3 Các phƣơng tiện dùng các lĩnh vực vui chơi giải trí, thể thao và du lịch .......... 13 1.3.4 Các loại phƣơng tiện phục vụ trong y tế .................................................................... 13 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ....................................................................... 14 2.1. Phân tích động lực học xe điện cá nhân .......................................................... 14 2.1.1. Cơ sở lý thuyết ............................................................................................ 14 2.1.2. Trƣờng hợp không tải.................................................................................. 15 2.1.3. Trƣờng hợp đầy tải...................................................................................... 18 2.2. Lý thuyết về không gian riêng ..................................................................... 19 2.2.1. Khái niệm không gian cá nhân .................................................................... 19 2.2.2. Nguyên lí TOF và cơ sở của việc đo khoảng cách bằng cảm biến siêu âm . 21 2.3. Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống an toàn cho xe điện cá nhân dựa vào không gian riêng: ....................................................................................................... 22 2.3.1. Hệ thống hỗ trợ xe điện cá nhân.................................................................. 22 2.3.2. Phân tích hành vi của xe điện cá nhân vận hành trong khu vực ngƣời đi bộ23 2.3.3. iều kiện mô phỏng .................................................................................... 27 2.3.4. Chỉ tiêu đánh giá .......................................................................................................... 29 2.3.5. Kết quả và bàn luận..................................................................................... 30 2.3.5.1. Xe điện và một ngƣời đi bộ ...................................................................................... 30 2.3.5.2. Xe điện và dòng ngƣời đi bộ .................................................................................... 32 Kết luận chƣơng 2...................................................................................................... 35 CHƢƠNG 3. PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG AN TO N CHO XE IỆN CÁ NHÂN ... 36 3.1. Cấu trúc hệ thống an toàn xe điện cá nhân ................................................ 36 3.1.1. Sơ đồ khối hệ thống an toàn .......................................................................... 36 3.1.2. Chiến thuật điều khiển hệ thống an toàn ........................................................ 37 3.1.3. Thiết kế mạch điều khiển hệ thống an toàn ................................................... 38 3.2. Cảm biến ........................................................................................................... 40 3.2.1. Cảm biến góc lái ............................................................................................ 40 3.2.2. Cảm biến tay ga ............................................................................................. 41 3.2.3. Cảm biến tốc độ (Encoder) ............................................................................ 42 3.2.4. Cảm biến siêu âm .......................................................................................... 44 3.3. Cơ cấu chấp hành ............................................................................................. 46 3.4. Bộ điều khiển trung tâm................................................................................... 49 3.5. Thuật toán điều khiển ...................................................................................... 57 3.6. Chƣơng trình điều khiển .................................................................................. 58 3.6.1. Chƣơng trình nhận tín hiệu từ cảm biến khoảng cách.................................... 62 3.6.2. Chƣơng trình nhận tín hiệu từ cảm biến góc lái ............................................. 64 3.6.3. Chƣơng trình nhận tín hiệu từ tay ga ............................................................. 65 3.6.4. Chƣơng trình nhận tín hiệu từ cảm biến tốc độ.............................................. 65 CHƢƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ ............................................................ 68 1. Kết quả ............................................................................................................... 68 2. Hƣớng phát triển đề tài ..................................................................................... 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 69 DANH MỤC HÌNH Số hiệu hình Hình 1.1 Hình 1.2 Hình 1.3 Hình 1.4 Hình 1.5 Hình 1.6 Hình 1.7 Hình 2.1 Hình 2.2 Hình 2.3 Hình 2.4 Hình 2.5 Hình 2.6 Hình 2.7 Hình 2.8 Hình 2.9 Hình 2.10 Hình 2.11 Hình 2.12 Hình 2.14 Hình 2.15 Hình 2.16 Hình 2.17 Hình 2.18 Hình 2.19 Hình 2.20 Hình 2.21 Hình 2.22 Tên hình Ô tô chạy bằng nhiên liệu sinh học Ô tô chạy bằng điện Ô tô Hybrid Ô tô điện cổ điển Ô tô hiện đại Phƣơng án thiết kế xe điện cân bằng một bánh Một số xe điện cá nhân hiện nay Sơ đồ phân bố trọng lƣợng của xe điện Sơ đồ phân bố tải trọng của xe điện không tải Sơ đồ phân bố tải trọng khi xe điện đầy tải Minh họa về không gian cá nhân Không gian riêng phía trƣớc của ngƣời đi bộ Không gian riêng phía bên của ngƣời đi bộ Sơ đồ tính khoảng cách tới vật cản Nguyên lý của hệ thống hỗ trợ an toàn cho xe điện Mô hình tính toán của xe điện trong khu vực ngƣời đi bộ Lƣu đồ thuật toán hành vi của xe điện khi không có hệ thống hỗ trợ Hành vi của xe điện khi không có hệ thống hỗ trợ Lƣu đồ thuật toán hành vi của xe điện khi không có Sơ đồ bố trí mô phỏng Quan hệ giữa không gian riêng phía trƣớc của ngƣời đi bộ và tốc độ của xe điện Quan hệ giữa không gian riêng phía trƣớc của ngƣời đi bộ và tốc độ của xe điện Minh họa về tỷ lệ chiếm chỗ Hành vi của xe điện khi không có hệ thống hỗ trợ Hành vi của xe điện khi không có hệ thống hỗ trợ Quan hệ giữa tỷ lệ chiếm chỗ và thời gian Tỷ lệ chiếm chỗ theo độ rộng của đƣờng Thời gian băng qua theo độ rộng của đƣờng Trang 5 7 8 9 10 11 12 16 17 18 20 20 21 22 23 23 25 25 26 27 28 29 29 30 30 31 31 32 Hình 2.23 Hình 2.24 Hình 2.25 Hình 3.1 Hình 3.2 Hình 3.3 Hình 3.4 Hình 3.5 Hình 3.6 Hình 3.7 Hình 3.8 Hình 3.9 Hình 3.10 Hình 3.11 Hình 3.12 Hình 3.13 Hình 3.14 Hình 3.15 Hình 3.16 Hình 3.17 Hình 3.18 Hình 3.19 Hình 3.20 Hình 3.21 Hình 3.22 Hình 3.23 Hình 3.24 Hình 3.25 Hành vi của xe điện khi không có và có hệ thống hỗ trợ Tỷ lệ chiếm chỗ trung bình theo mật độ ngƣời đi bộ Thời gian băng qua theo độ ngƣời đi bộ Sơ đồ khối hệ thống an toàn ồ thị mối quan hệ giữa chu kỳ cảnh báo và phần trăm chiễm chỗ Sự thay đổi của Kps tại góc quay 30 độ Sơ đồ mạch điều khiển hệ thống an toàn Hệ thống điện lắp đặt trên xe Chiết áp Sơ đồ cấu tạo chiết áp Ký hiệu chiết áp trên sơ đồ nguyên lý Tay ga sử dụng cảm biển Hakk Hall IC Sơ đồ nguyên lý hoạt động của cảm biến tốc độ ộ lệch xung của kênh A và B Cảm biến siêu âm HY-SRF05 Giản đồ thời gian Lực tác dụng lên xe điện khi chuyển động tăng tốc trên dốc ộng cơ MY6812 Linh kiện trên Arduino Mega 2560 Sơ đồ các chân ra của Arduino Mega 2560 Module MDL-BDC24 Kích thƣớc Module MDL-BDC24 Các cổng kết nối của Module điều khiển trung tâm Cổng nhận tín hiệu PWM từ bộ điều khiển trung tâm Mạch cầu H Tín hiệu điều khiển PWM Lƣu đồ thuật toán hệ thống điều khiển 33 34 34 36 37 38 39 39 40 40 41 41 42 42 43 44 45 47 49 50 51 53 54 55 55 56 56 57 DANH MỤC BẢNG Số hiệu bảng Bảng 2.1 Bảng 2.2 Bảng 2.3 Bảng 3.1 Bảng 3.2 Bảng 3.3 Bảng 3.4 Bảng 3.5 Tên bảng Phân bố trong lƣợng xe điện khi không tải Phân bố trọng lƣợng xe điện khi đầy tải Thông số mô phỏng của ngƣời đi bộ và xe điện Thông số kỹ thuật của chiết áp Thông số kỹ thuật của cảm biến siêu âm HY-SRF05 Các thông số của động cơ Các thông số cơ bản của Arduino Mega2560 Thông số kỹ thuật Trang 17 19 28 40 44 49 49 54 TÓM TẮT Tên đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống an toàn trên xe điện cá nhân 4 bánh” Học viên: Trần Phƣớc Phú Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số: 85.20.116. Khóa: K32 Trƣờng ại học Bách khoa ại học à Nẵng. Tóm tắt: Trong những năm qua, xe điện cá nhân ngày càng đƣợc quan tâm trên toàn thế giới do có nhiều ƣu điểm nhƣ: thân thiện môi trƣờng nhỏ gọn và tiện lợi để sử dụng trong khu vực ngƣời đi bộ, sân bay, trƣờng học. Tuy nhiên, cần phải đảm bảo tính an toàn khi xe điện đƣợc sử dụng trong khu vực ngƣời đi bộ. Nghiên cứu này phát triển hệ thống hỗ trợ an toàn cho xe điện cá nhân. Hệ thống hỗ trợ an toàn có thể xác định đƣợc vùng an toàn của ngƣời đi bộ xung quanh và báo cho ngƣời điều khiển xe biết, giúp vận hành xe một cách an toàn và thoải mái trong khu vực ngƣời đi bộ. Kết quả mô phỏng và thử nghiệm cho thấy hiệu quả của hệ thống an toàn cũng đƣợc xác nhận rõ ràng và xe điện vận hành ổn định với tốc độ tối đa có thể lên đến 8 km/h và tải trọng có thể lên đến 150 kg. Từ khóa: Xe điện cá nhân, không gian riêng, ngƣời đi bộ, hệ thống giao thông. ABSTRACT Abstract: In recent year, personal mobility vehicles (PMVs) have increasingly attracted research interest as new individual transportation vehicles that are environmentally-friendly, compact, and convenient to use in pedestrian areas such as sidewalks, campus and airport areas. However, it is important to ensure the safety and comfort of pedestrians sharing space with PMVs. This study proposed an assistance system for the vehicle that supports the driver in recognizing the psychological strain of surrounding pedestrians and informing the driver about the invasion of the PMV using a vibrator and indicator. Furthermore, a simulation model considering the interaction between a PMV and pedestrianswas investigated. Simulation results revealed that the invasion of PS increases with increasing pedestrian density. The experimental results revealed that the vehicle was operated stably at the maximum speed of 8 km/h and the maximum load of 150 kg, and the effectiveness of the assistance system was clearly confirmed. Key word: Personal electric vehicle, personal space, pedestrian, transportation system. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu/ chữ viết tắt G [KG] Fk [N] Gk [KG] Gct [KG] Gcs [KG] Gm [KG] Trọng lƣợng toàn bộ của xe Lực kéo tiếp tuyến ở bánh xe chủ động Trọng lƣợng khung xƣơng Trọng lƣợng trục trƣớc và bánh xe Trọng lƣợng bánh xe sau Trọng lƣợng động cơ Gat [KG] Trọng lƣợng acquy trƣớc Gas Gl Ff1 Ff2 Fw Fi Fj Z1, Z2 L a, b hg inner [KG] [KG] [N] [N] [N] [N] [N] [N] [m] [m] [m] [v/ph] Trọng lƣợng acquy sau Trọng lƣợng tay lái. Lực cản lăn ở bánh xe chủ động Lực cản lăn ở bánh xe bị động Lực cản không khí Lực cản lên dốc Lực quán tính của ô tô khi chuyển động Phản lực tiếp tuyến của mặt đƣờng tác dụng lên các bánh xe Chiều dài cơ sở Khoảng cách từ tâm đến trục bánh xe trƣớc và bánh xe sau Tọa độ trọng tâm của xe theo chiều cao Tốc độ quay bánh xe phía trong outter [v/ph] Diễn giải Tốc độ quay bánh xe phía ngoài  [v/ph] ộ chênh lệch tốc độ quay vòng của hai bánh xe 0 [v/ph] ộ chênh lệch tốc độ quay vòng ban đầu của bánh xe 0 K0 Kps d v t VH kH Ic B Sinβ [v/ph] [-] [-] [m] [m/s] [s] [V] [m3/c] [A] [Wb] [-] Tốc độ ban đầu của bánh xe Hệ số góc quay ban đầu Hệ só góc quay khi có hệ thống hỗ trợ lái Quãng đƣờng di chuyển của sóng âm Vận tốc sóng âm trong không khí Quãng thời gian truyền sóng iện áp Hall Hằng số Hall Dòng cấp vào Mật độ từ thông Góc lệch giữa mật độ từ thông và bề mặt cảm biến TOF Phần trăm chiếm chỗ giữa xe điện và vùng không gian cá nhân Chu kì cảnh báo. Clock Wise-Quay cùng chiều kim đồng hồ. Counter Clock Wise- Quay ngƣợc chiều kim đồng hồ. Intergated Circuit- Là vi mạch tích hợp nhiều linh kiện điện tử nhƣ tụ điện, điện trở, transistor... với số lƣợng lớn, ghép lại với nhau theo một mạch đã thiết kế sẵn Pulse Width Modulation- Phƣơng pháp điều chỉnh điện áp ra tải. Intergrated Development Environment- Môi trƣờng lập trình cho Arduino. Time Of Flight- Nguyên lí đo khoảng cách bằng thời gian truyền sóng. DC VCC GND Direct Current Motors- ộng cơ điện một chiều. Nguồn dƣơng. iểm nối đất chung. I [%] T [s] CW CCW IC PWM IDE 1 MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Sự phát triển các phƣơng tiện giao thông ở các khu vực trên thế giới nói chung không giống nhau, mỗi nƣớc có một quy định riêng về khí thải của xe, nhƣng đều có xu hƣớng là từng bƣớc cải tiến cũng nhƣ chế tạo ra loại ôtô mà mức ô nhiễm là thấp nhất và giảm tối thiểu tiêu hao nhiên liệu. iều đó càng cấp thiết khi mà nguồn tài nguyên dầu mỏ ngày càng cạn kiệt, dẫn đến giá dầu tăng cao mà nguồn thu nhập của ngƣời dân lại tăng không đáng kể. Các xe chạy bằng nhiên liệu diesel, xăng hoặc các nhiên liệu khác đều đang tràn ngập trên thị trƣờng, gây ô nhiễm môi trƣờng, làm cho bầu khí quyển ngày một xấu đi, hệ sinh thái thay đổi. Vì thế việc tìm ra phƣơng án để giảm thiểu lƣợng khí gây ô nhiễm môi trƣờng là một vấn đề cần đƣợc quan tâm nhất hiện nay của ngành ôtô nói riêng và mọi ngƣời nói chung. Ôtô sạch không gây ô nhiễm (zero emission) là mục tiêu hƣớng tới của các nhà nghiên cứu và chế tạo ôtô ngày nay. Có nhiều giải pháp đã đƣợc công bố trong những năm gần đây nhƣ: hoàn thiện quá trình cháy của động cơ đốt trong, sử dụng các loại nhiên liệu không truyền thống cho ôtô nhƣ LPG, khí thiên nhiên, methanol, biodiesel, ôtô điện, ôtô dùng pin nhiên liệu, ôtô dùng năng lƣợng mặt trời, ôtô lai (hybrid)... Ngoài ra, một số khu vực hạn chế về không gian, nơi đỗ xe không thể sử dụng ô tô truyền thống để chạy nhƣ: khuôn viên các khu nghỉ dƣỡng, bệnh viện, trƣờng học. Chính vì vậy, việc tìm ra phƣơng án chế tạo xe điện cá nhân vận hành trong khu vực ngƣời đi bộ để đảm bảo tiện lợi, an toàn, giảm ô nhiễm môi trƣờng, tiết kiệm nhiên liệu và dần xóa bỏ sự lệ thuộc của con ngƣời vào nguồn nhiên liệu từ dầu mỏ là một vấn đề thiết thực rất đƣợc quan tâm trong nhƣng năm gần đây của ngƣời dân cũng nhƣ các nhà khoa học, các kĩ sƣ và các tập đoàn sản xuất ô tô, xe điện trên thế giới. Xe điện dùng trong khu vực đi bộ đối với nhiều quốc gia, trong đó có Việt Nam, vẫn là rất mới mẻ, thậm chí còn đƣợc hiểu mơ hồ. Trong những năm gần đây, phƣơng tiện giao thông cá nhân ngày càng đƣợc quan tâm và phát triển tại một số nơi trên thế giới nhƣ xe 1 bánh, xe 2 bánh tự cân bằng. Tuy nhiên, các phƣơng tiện giao thông cá nhân này không đảm bảo an toàn trong quá trình vận hành và gây nên sự không thoải mái cho ngƣời đi bộ xung quanh. Xuất phát từ những lý do trên, tác giả đã chọn đề tài “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo hệ thống an toàn trên xe điện cá nhân 4 bánh” làm đề tài nghiên 2 cứu của mình với mong muốn đƣợc phát triển hệ thống an toàn, thiết kế, tính toán và lắp ráp hoàn thiện sản phẩm xe điện cá nhân. 2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Mục đích nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu tổng quan về xe điện và nội dung chính là nghiên cứu hệ thống an toàn trên xe điện cá nhân 4 bánh. 3. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU - ối tƣợng nghiên cứu của đề tài là hệ thống an toàn trên xe điện cá nhân. - Phạm vi nghiên cứu của luận văn giới hạn ở các nội dung sau: + Nghiên cứu tổng quan về xe điện cá nhân; + Tính toán thiết kế hệ thống truyền động; + Nghiên cứu cơ bản về hệ thống điều khiển an toàn; + Nghiên cứu cơ sở thiết kế, chế tạo, lắp ráp hệ thống điều khiển an toàn trên xe điện cá nhân. 4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 4.1. Phƣơng pháp thu thập thông tin Tìm kiếm tài liệu, thu thập thông tin, dựa trên các công trình báo cáo khoa học đã công bố, tạp chí khoa học có uy tín. Lấy các thông tin từ sách giáo khoa, từ các hội thảo, hội nghị quốc gia, quốc tế và trên Internet liên quan đề tài 4.2. Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết Phƣơng pháp nghiên cứu trong luận văn là nghiên cứu lý thuyết. Trên cơ sở các tài liệu, các ứng dụng cụ thể hệ thống điều khiển an toàn trên các xe điện của một số hãng sản xuất, luận văn tập hợp, phân tích đánh giá để làm rõ các vấn đề nhƣ: - Cấu trúc của hệ thống an toàn cho xe điện vận hành trong khu vực ngƣời đi bộ; - Các giải pháp kỹ thuật và lựa chọn thông số trong thiết kế; - Khả năng và phạm vi áp dụng hệ thống an toàn cho xe điện cá nhân ở Việt Nam. 4.3. Phƣơng pháp phân tích đánh giá - ánh giá các kết quả nghiên cứu - Xử lý tính toán số liệu thực nghiệm 4.4. Tham khảo ý kiến của giảng viên hƣớng dẫn 5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TÍNH THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI ề tài “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo hệ thống an toàn trên xe điện cá nhân 4 bánh” có ý nghĩa khoa học và thực tiễn nhƣ sau: 3 - Xe điện cá nhân vận hành đơn giản, tiết kiệm năng lƣợng, không gây ô nhiễm môi trƣờng. - Xe điện cá nhân vận hành an toàn, tiện lợi trong các khu vực công cộng và nơi có diện tích hạn chế. 6. DỰ KIẾN KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC Sản phẩm là một xe điện cá nhân 4 bánh đƣợc trang bị hệ thống an toàn. 7. CẤU TRÚC LUẬN VĂN Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo hệ thống an toàn trên xe điện cá nhân 4 bánh” đƣợc trình bày trong 4 chƣơng với cấu trúc nhƣ sau: Chƣơng 1. TỔNG QUAN 1.1. Xu hƣớng sử dụng nhiên liệu sạch cho phƣơng tiện giao thông 1.2. Tổng quan về xe điện cá nhân 1.3. Nhu cầu sử dụng phƣơng tiện giao thông cá nhân Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Phân tính động lực học cho xe điện cá nhân 2.2. Lý thuyết về không gian riêng 2.3. Mô hình hoá và mô phỏng hệ thống an toàn cho xe điện cá nhân dựa vào không gian riêng 2.3.1. Hệ thống hỗ trợ tài xế xe cá nhân 2.3.2. Phân tích hành vi của xe điện cá nhân vận hành trong khu vực ngƣời đi bộ 2.3.3. iều kiện mô phỏng 2.3.4. Chỉ tiêu đánh giá 2.3.5. Kết quả và bàn luận Chƣơng 3. PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG AN TOÀN CHO XE ĐIỆN CÁ NHÂN 3.1. Cấu trúc của hệ thống điều khiển 3.2. Cảm biến 3.3. Cơ cấu chấp hành 3.4. Bộ điều khiển trung tâm 3.5. Thuật toán điều khiển 3.6. Chƣơng trình điều khiển 3.7. Lắp đạt và thử nghiệm Chƣơng 4. KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ 4 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Xu hƣớng sử dụng nhiên liệu sạch cho phƣơng tiện giao thông Sự phát triển các phƣơng tiện giao thông ở các khu vực trên thế giới nói chung không giống nhau, mỗi nƣớc có một quy định riêng về khí thải của xe, nhƣng đều có xu hƣớng là từng bƣớc cải tiến cũng nhƣ chế tạo ra loại ôtô mà mức ô nhiễm là thấp nhất và giảm tối thiểu sự tiêu hao nhiên liệu. Mặt khác không những trong tƣơng lai mà hiện nay nguồn tài nguyên dầu mỏ ngày càng cạn kiệt dẫn đến giá dầu tăng cao mà nguồn thu nhập của ngƣời dân lại tăng không đáng kể. Ngày nay xe chạy bằng dầu diezel, xăng hoặc các nhiên liệu khác đều đang tràn ngập trên thị trƣờng dẫn đến tình trạng ùn tắc giao thông, cũng nhƣ gây ô nhiễm môi trƣờng, hệ sinh thái thay đổi dẫn đến hiệu ứng nhà kính nên nhiệt độ ngày một tăng làm những tảng băng ở Bắc cực, Nam cực cùng những nơi khác tan ra gây ra lũ lụt, sóng thần. Vì thế, ôtô sạch không gây ô nhiễm (zero emission) là mục tiêu hƣớng tới của các nhà nghiên cứu và chế tạo ôtô ngày nay. Có nhiều giải pháp đã đƣợc công bố trong những năm gần đây, tập trung là hoàn thiện quá trình cháy động cơ Diesel, sử dụng các loại nhiên liệu không truyền thống cho ôtô nhƣ LPG, khí thiên nhiên, methanol, biodiesel, điện, pin nhiên liệu, năng lƣợng mặt trời, ôtô lai (hybrid)... Xu hƣớng phát triển ôtô sạch có thể tổng hợp nhƣ sau: 1.1.1. Hoàn thiện động cơ diesel Các kỹ thuật mới để hoàn thiện động cơ diesel đã cho phép nâng cao rõ rệt tính năng của nó bao gồm áp dụng hệ thống phun ray chung (common rail) điều khiển điện tử, lọc bồ hóng và xử lý khí trên đƣờng xả bằng bộ xúc tác ba chức năng, hoặc nâng cao chất lƣợng nhiên liệu, sử dụng nhiên liệu diesel có hàm lƣợng lƣu huỳnh cực thấp. Việc dùng động cơ diesel sử dụng đồng thời nhiên liệu khí và nhiên liệu lỏng (dual fuel) cũng là một giải pháp nâng cao tính năng của động cơ diesel. 1.1.2. Ôtô chạy bằng các loại nhiên liệu lỏng thay thế Các loại nhiên liệu lỏng thay thế quan tâm hiện nay là cồn, colza … có nguồn gốc từ thực vật. Do thành phần C trong nhiên liệu thấp nên quá trình cháy sinh ra ít chất ô nhiễm có gốc carbon, đặc biệt là giảm CO2, chất khí gây hiệu ứng nhà kính. Tuy nhiên giải pháp này có lợi ở những nơi mà nguồn nhiên liệu này dồi dào hoặc các loại nhiên liệu trên đƣợc chiết xuất từ các chất thải của quá trình sản xuất công nghiệp. 5 Hình 1.1. Ô tô chạy bằng nhiên liệu sinh học Một loại nhiên liệu lỏng thay thế khác mới đây đƣợc công bố là Dimethyl ether (DME) đƣợc chế tạo từ khí thiên nhiên. ây là loại nhiên liệu thay thế cực sạch có thể dùng cho động cơ diesel giống nhƣ LPG. Thử nghiệm trên ôtô cho thấy, ôtô dùng DME có mức độ phát ô nhiễm thấp hơn nhiều so với tiêu chuẩn ôtô phát ô nhiễm cực thấp California ULEV. Nếu việc sản xuất DME trên quy mô công nghiệp thành hiện thực thì trong tƣơng lai nó sẽ là nhiên liệu lỏng lý tƣởng nhất vì khí thiên nhiên phân bố đều khắp trên trái đất và có trữ lƣợng tƣơng đƣơng dầu mỏ. 1.1.3. Ô tô chạy bằng khí thiên nhiên Sử dụng ôtô chạy bằng khí thiên nhiên là một chính sách rất hữu ích về năng lƣợng thay thế trong tƣơng lai, đặc biệt về phƣơng diện giảm ô nhiễm môi trƣờng trong thành phố. Một trong những khó khăn khiến cho nguồn năng lƣợng này chƣa đƣợc áp dụng rộng rãi trên phƣơng tiện vận tải là vấn đề lƣu trữ khí thiên nhiên (dạng khí hay dạng lỏng) trên ôtô. Ngày nay việc chế tạo bình chứa khí thiên nhiên đã đƣợc cải thiện nhiều cả về công nghệ lẫn vật liệu, chẳng hạn sử dụng bình chứa composite gia cố bằng sợi carbon. 1.1.4. Ôtô chạy bằng khí dầu mỏ hóa lỏng LPG Hiện nay nhiều nƣớc, nhiều khu vực trên thế giới xem việc sử dụng LPG trên ôtô chạy trong thành phố là giải pháp bảo vệ môi trƣờng không khí hữu hiệu. Ngƣời ta dự báo lƣợng LPG tiêu thụ cho giao thông vận tải sẽ gia tăng trong những năm tới do số lƣợng ôtô sử dụng nguồn năng lƣợng này gia tăng. 6 Khí dầu mỏ hóa lỏng LPG ngày càng trở nên là loại nhiên liệu ƣa chuộng để chạy ôtô. Ngoài những đặc điểm nổi bật về giảm ô nhiễm môi trƣờng nó còn có lợi thế về sự thuận tiện trong chuyển đổi hệ thống nhiên liệu. Việc chuyển đổi ôtô chạy bằng nhiên liệu lỏng sang dùng LPG có thể đƣợc thực hiện theo ba hƣớng: Sử dụng duy nhất nhiên liệu LPG, sử dụng hoặc xăng hoặc LPG, sử dụng đồng thời diesel và LPG (dual fuel). Việc tạo hỗn hợp LPG không khí có thể thực hiện bằng bộ chế hòa khí kiểu Venturie thông thƣờng hay phun LPG trên đƣờng nạp. Những hệ thống phun mới đang đƣợc nghiên cứu phát triển là phun LPG dạng lỏng trong buồng cháy để tăng tính năng công tác của loại động cơ này. Cũng nhƣ các loại nhiên liệu khí khác, việc lƣu trữ LPG trên ôtô là vấn đề gây nhiều khó khăn nhất mặc dù áp suất hóa lỏng của LPG thấp hơn rất nhiều so với khí thiên nhiên hay các loại khí khác. Các loại bình chứa nhiên liệu LPG cũng đƣợc cải tiến nhiều nhờ vật liệu và công nghệ mới. 1.1.5. Ô tô chạy bằng điện Nếu nhƣ sự thâm nhập những ôtô chạy bằng điện vào cuộc sống của nhân loại thay các loại ôtô chạy bằng động cơ nhiệt thì các loại động cơ nhiệt đƣợc xử lý ô nhiễm triệt để với những thành tựu công nghệ hiện đại, dĩ nhiên bị biến mất vì thế mức độ có lợi về mặt ô nhiễm khi dùng động cơ điện sẽ không đáng kể, chắc chắn ít có lợi hơn khi thay ô tô cũ bằng ô tô mới dùng động cơ nhiệt hoàn thiện triệt để về mặt ô nhiễm. Về mặt xã hội ô tô chạy điện trong giai đoạn đầu sẽ có ảnh hƣởng quan trọng đến vấn đề tâm lý xã hội. Sự hạn chế tính năng kỹ thuật cũng nhƣ bán kính hoạt động của ôtô, trở ngại trong vấn đề nạp điện, khả năng sử dụng các dịch vụ tự phục vụ sẽ góp phần làm thay đổi thói quen của ngƣời dùng và dần dần làm thay đổi cách sống. Mặt khác khi chuyển ôtô chạy bằng nhiên liệu truyền thống sang ôtô chạy bằng điện hoàn toàn sẽ gây ra trở ngại về mặt bố trí các trạm nạp điện cho ăcquy. Tuy nhiên những lợi ích mà xe chạy bằng điện mang lại cho xã hội là không nhỏ. Vì vậy ô tô chạy bằng điện chắc chắn vẫn là sự lựa chọn số một của nhân loại vào những năm tới của thế kỷ 21 mà sự phát triển của nó đi theo những sự cải tiến, hoàn thiện hay phát minh quan trọng về công nghệ nhƣng hiện tại sự phát triển của ô tô này cũng không cho phép giải quyết một cách nhanh chóng vấn đề ô nhiễm môi trƣờng đô thị vì không thể xây dựng toàn bộ cơ cấu hạ tầng cơ sở phục vụ trong một thời gian ngắn. 7 Hình 1. 2. Ô tô chạy bằng điện 1.1.6. Ô tô chạy bằng pin nhiên liệu Một trong những giải pháp của nguồn năng lƣợng sạch cung cấp cho ôtô trong tƣơng lai là pin nhiên liệu. Pin nhiên liệu là hệ thống điện hóa biến đổi trực tiếp hóa năng trong nhiên liệu thành điện năng. Pin nhiên liệu trƣớc đây chỉ đƣợc nghiên cứu để cung cấp điện cho các con tàu không gian nhƣng ngày nay pin nhiên liệu đã bƣớc vào giai đoạn thƣơng mại hóa để cung cấp năng lƣợng cho ôtô. Do không có quá trình cháy xảy ra nên sản phẩm hoạt động của pin nhiên liệu là điện, nhiệt và hơi nƣớc. Vì vậy, có thể nói ôtô hoạt động bằng pin nhiên liệu là ôtô sạch tuyệt đối theo nghĩa phát thải chất ô nhiễm trong khí xả. Ôtô chạy bằng pin nhiên liệu không nạp điện mà chỉ nạp nhiên liệu hydrogen. Khó khăn vì vậy liên quan đến lƣu trữ hydro dƣới áp suất cao. Nhiều nghiên cứu đề nghị điều chế hydro ngay trên xe để sử dụng cho pin nhiên liệu nhƣng hệ thống nhƣ vậy rất cồng kềnh và phức tạp. Tuy nhiên ngày nay ngƣời ta đã thành công trong chế tạo các loại pin nhiên liệu có hiệu suất cao và giá thành phù hợp nhƣng việc áp dụng phƣơng án này trên xe vẫn còn xa so với hiện thực vì so với các phƣơng án làm giảm ô nhiễm khác, pin nhiên liệu chạy ôtô vẫn còn là loại nhiên liệu “xa xỉ” và “cao cấp”. Ngày nay ngƣời ta thấy rằng nếu sử dụng pin nhiên liệu để chạy ôtô thì giá thành đắt hơn chạy bằng diesel khoảng 30%. 8 1.1.7. Ôtô hybrid Xuất hiện từ đầu những năm 1990 và cho đến nay, ôtô hybrid đã luôn đƣợc nghiên cứu và phát triển nhƣ là một giải pháp hiệu quả về tính kinh tế và môi trƣờng. Hình 1. 3. Ô tô Hybrid Trong thời gian gần đây, các nhà sản xuất ô tô hàng đầu trên thế giới nhƣ Toyota, Honda… đã tung ra thị trƣờng những thế hệ ô tô mới có hiệu suất cao và giảm đáng kể lƣợng chất thải gây ô nhiểm môi trƣờng đƣợc gọi là “ô tô lai” (Hybrid - Car).Có thể nói, công nghệ lai là chìa khoá mở cánh cửa tiến vào kỷ nguyên mới của những chiếc ô tô, đó là ô tô không gây ô nhiễm môi trƣờng hay còn gọi là ô tô sinh thái (the ultimate eco-car). 1.2.Tổng quan về xe điện cá nhân 1.2.1. Giới thiệu chung Xe điện sử dụng một động cơ điện cho lực kéo: acquy, pin nhiên liệu cung cấp nguồn năng lƣợng tƣơng ứng cho động cơ điện. Xe điện có nhiều ƣu điểm hơn các loại phƣơng tiện sử dụng động cơ đốt trong, chẳng hạn nhƣ không phát thải khí ô nhiễm, hiệu suất cao, độc lập với nguồn năng lƣợng từ dầu mỏ, yên tĩnh, không gây ồn. Các nguyên tắt hoạt động cơ bản giữa xe điện và phƣơng tiện sử dụng động cơ đốt trong tƣơng tự nhau. Tuy nhiên, một số khác biệt giữa phƣơng tiện sử dụng động cơ đốt trong và xe điện, chẳng hạn nhƣ sử dụng một bồn chứa xăng so với nguồn pin, động cơ đốt trong so với động cơ điện, và khác nhau về yêu cầu truyền dẫn, các hệ thống trên xe nhƣ hệ thống lái, hệ thống dẫn động, hệ thống treo. 9 1.2.2. Cấu hình của một số loại xe điện cá nhân 1.2.2.1. Cấu hình của ô tô điện Trƣớc đây, các xe điện chủ yếu đƣợc chuyển đổi từ các ô tô thông thƣờng bằng cách thay thế động cơ đốt trong và thùng nhiên liệu với một động cơ điện và pin trong khi giữ lại tất cả các thành phần khác. Nhƣợc điểm nhƣ: khối lƣợng lớn, tính linh hoạt và hiệu suất thất là những nguyên nhân làm cho xe điện khó áp dụng rộng rãi. Truyền động ộng cơ khí cơ điện Nguồn năng lƣợng Hình 1.4. Ô tô điện cổ điển Hiện nay, ô tô hiện đại đƣợc tạo ra có chủ ý dựa vào nguyên bản của thân và khung sƣờn đƣợc thiết kế riêng. iều này đáp ứng các yêu cầu về cấu trúc duy nhất cho ô tô và làm cho các nguồn động lực đẩy bằng điện đƣợc sử dụng linh hoạt hơn. Một ô tô điện cơ bản bao gồm ba hệ thống chủ yếu: Hệ động lực điện, hệ thống năng lƣợng, và hệ thống phụ trợ. Hệ động lực điện bao gồm: Hệ thống điều khiển xe, bộ chuyển đổi điện, các động cơ điện, truyền động cơ khí, và bánh chủ động. Hệ thống năng lƣợng bao gồm nguồn năng lƣợng bộ phận quản lý năng lƣợng, và bộ phận tiếp năng lƣợng điện. Hệ thống phụ trợ bao gồm trợ lực lái, điều hòa, nguồn cung cấp năng lƣợng phụ trợ.